[論文レビュー] Multidifferential study of identified charged hadron distributions in $Z$-tagged jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=$13 TeV

Aaij, R., Abdelmotteleb, A. S. W.+1039 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LHCb検出器を用いて、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突からのZタグ付きジェットにおける、識別された荷電ハドロンの多重微分測定を初めて報告する。π、K、pの各粒子について、z（縦方向運動量分率）、jT（ジェット軸に対する横方向運動量）、およびジェットpTの三重微分分布を測定し、横運動量に依存する分割関数（TMD分割関数）の制約を新たに得るとともに、クォークおよびグルーオンが初期化するジェットにおけるハドロン化のメカニズムについての知見を提供する。

ABSTRACT

Jet fragmentation functions are measured for the first time in proton-proton collisions for charged pions, kaons, and protons within jets recoiling against a $Z$ boson. The charged-hadron distributions are studied longitudinally and transversely to the jet direction for jets with transverse momentum 20 $< p_{ extrm{T}} < 100$ GeV and in the pseudorapidity range $2.5 < η< 4$. The data sample was collected with the LHCb experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 1.64 fb$^{-1}$. Triple differential distributions as a function of the hadron longitudinal momentum fraction, hadron transverse momentum, and jet transverse momentum are also measured for the first time. This helps constrain transverse-momentum-dependent fragmentation functions. Differences in the shapes and magnitudes of the measured distributions for the different hadron species provide insights into the hadronization process for jets predominantly initiated by light quarks.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV におけるZタグ付きジェット内での識別された荷電ハドロン（π、K、p）のジェット分割関数（JFFs）を測定すること。
• z、jT、およびジェットpTの三重微分分布を測定することで、横運動量に依存する（TMD）分割関数にアクセスすること。
• ハドロン種別における分割関数のパターンの違いを調べることで、軽クォークが初期化するジェットにおけるハドロン化メカニズムを解明すること。
• 高精度のLHCbデータと優れた粒子識別能力を活用して、QCDにおけるパートオン分割関数の記述的モデルに対する新たな実験的制約を提供すること。
• 高エネルギー陽子-陽子衝突における部分的自由度と観測されるハドロン最終状態との関係をより深く理解すること。

提案手法

• LHCb実験が収集した、1.64 fb⁻¹ の統合放射能を有する、√s = 13 TeV のpp衝突からのZ+ジェットイベントを用いる。
• 有効領域の条件を適用：ジェットpTは20–100 GeV、ηは2.5–4.0、Zボソン候補は二重ミューオン崩壊（60 < Mμμ < 120 GeV）から得る。
• ジェット再構成には反-kTアルゴリズム（R = 0.5）を用い、ハドロンとジェット軸との間隔が∆R < 0.5未塔であることを要件とする。
• 2–100 GeV のエネルギー範囲でπ、K、pを区別するため、2つのRICH検出器（C4F10およびCF4放射体）を用いて荷電ハドロンの識別を行う。
• TMD JFFを f(z, jT) = (dσ/dPS dz djT) / (dσ/dPS) として定義し、z = (phad · pjet)/|pjet|² および jT = |phad × pjet|/|pjet| とする。
• モンテカルロシミュレーション（Pythia 8、EvtGen、Geant4）を用いて検出器効果のアンフォールディングを実施し、真のハドロン分布を抽出するための補正を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Zタグ付きジェット内での識別されたπ、K、pの縦方向運動量分率分布（z）は、どのように異なるか？
• RQ2 軽クォークが初期化するジェット内での、異なるハドロン種別の横方向運動量（jT）依存性は何か？
• RQ3 z、jT、およびジェットpTの三重微分分布は、どのように横運動量に依存する（TMD）分割関数を制約するか？
• RQ4 ハドロン種別における形状および大きさの違いは、クォークが初期化するジェットにおけるハドロン化プロセスに関する何を明らかにするか？
• RQ5 測定されたJFFは、QCDにおける記述的分割関数モデルに対する制約をどの程度改善するか？

主な発見

• 本研究は、13 TeV におけるZタグ付きジェット内での識別された荷電ハドロンに対する三重微分分割関数 f(z, jT, pT,jet) の測定を初めて実施した。
• 測定されたJFFは、π、K、pの間で形状および大きさに顕著な違いを示しており、異なるハドロン種別における分割関数のダイナミクスの相違を示している。
• π、K、pのTMD JFFは、それぞれ異なるjT依存性を示しており、特にpがπに比べてより硬い横方向運動量スペクトルを示している。
• データは、特に前方領域（2.5 < η < 4.0）において、軽クォークが初期化するジェットのTMD分割関数を制約している。
• 本結果は、モンテカルロジェネレータのチューニングや、微視的QCDフレームワークにおけるハドロン化の記述を改善するための新たな実験的インプットを提供する。
• 本分析は、LHCbにおけるZタグ付きジェットが主に軽クォークによって初期化されている（qg → Zq）ことを確認しており、クォークのTMD分割関数にクリアにアクセス可能であることを示している。