[論文レビュー] Study on the azimuthal angle correlation between two jets in the top quark pair production

Kaoru Hagiwara, Junya Nakamura|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、14 TeV LHCにおけるトップクォーク対生成における2つの最も高い運動量を持つジェット間の方位角角度相関を、PYTHIA8におけるパートンシャワーと併用したマージド階層付き行列要素（最大3個のパートンまで）を用いて調査する。$t\bar{t}+3$ パートン行列要素を含めることで、ジェットの$p_T$順序付けおよびラピディティ切断による相関損失が顕著に低減され、CP感受性の観測量に対する予測精度が向上することが示された。

ABSTRACT

An azimuthal angle correlation between the two hardest jets is studied in the ttbar production process at the 14 TeV LHC. The event samples are generated by merging the tree level matrix elements for the ttbar plus up to 2 or 3 partons with parton showers. The generated event samples show a strong correlation in the azimuthal angle difference between the two hardest jets, as predicted in the analysis based on the tree level matrix elements for the ttbar+2 partons. The effects of merging the matrix elements for the ttbar+3 partons on the correlation are studied in detail. It is found that they play important roles in improving the prediction of the correlation.

研究の動機と目的

• QCD高次の補正が作用する状況下でも、$t\bar{t}$生成における2つの最も高い運動量を持つジェット間の方位角角度相関の頑健性を評価すること。
• $t\bar{t}+2$ パートンと比較して、$t\bar{t}+3$ パートン行列要素をマージした場合の方位角相関予測の精度への影響を評価すること。
• 多ジェット標本における低パートン状態からの汚染を抑制する新しい階層付きマージングアルゴリズムの開発および検証すること。
• トップクォークの崩壊が、特に$b$-ジェットを除いたジェットから選択された2つの最も高い運動量を持つジェットの方位角相関観測量に与える影響を定量化すること。
• $t\bar{t}$関連のジェット相関を用いたシミュレーションツールの妥当性を検証することで、実験的HiggsボソンのCP性質の測定を支援すること。

提案手法

• 14 TeV LHCにおける$t\bar{t}$生成のイベント標本は、PYTHIA8を用いて$t\bar{t}+0$、$t\bar{t}+1$、$t\bar{t}+2$、$t\bar{t}+3$ パートンの階層付き行列要素とパートンシャワーをマージすることで生成された。
• CKKW-Lとは異なり、相空間の分離を改善することで、多ジェット標本における$t\bar{t}+0,1$ パートンからの汚染を低減する新しい階層付きマージングアルゴリズムが実装された。
• 2つの最も高い横運動量を持つジェット間の方位角角度差$\Delta\phi = \phi_1 - \phi_2$ が、主要な観測量として計算・分析された。
• トップクォークの崩壊の影響は、マージド行列要素イベントに$t\bar{t}$崩壊情報そのものを直接組み込むことでモデル化された。
• ジェット再構築には、ラピディティの異なる切断を適用した反-$k_T$アルゴリズムが用いられ、その相関損失への影響が調査された。
• 2つまたは3つのパートンまでマージしたイベント標本を比較することで、高パートン状態の寄与を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのように$t\bar{t}+3$ パートン行列要素を含めることで、2つの最も高い運動量を持つジェット間の方位角角度相関の予測が変化するか？
• RQ2 $t\bar{t}+0,1$ パートン行列要素からの汚染が、マージドイベント標本における$\Delta\phi$分布にどの程度歪みをもたらすか？
• RQ3 ジェットの$p_T$順序付けおよびラピディティの切断は、$t\bar{t}+2$ パートン標本における相関損失にどのように影響するか？
• RQ4 2つの最も高い運動量を持つジェットが$b$-ジェットを除いたジェットから選択された場合、トップクォークの崩壊が$\Delta\phi$相関に与える影響は何か？
• RQ5 新しいマージングアルゴリズムはCKKW-Lよりも汚染をより効果的に抑制できるか？その結果、相関予測が改善されるか？

主な発見

• $\Delta\phi$分布は、2つの最も高い運動量を持つジェット間に強い相関を示し、高次のQCD補正を含めた後でも、$t\bar{t}+2$ パートン階層付き行列要素による予測が妥当であることが確認された。
• $t\bar{t}+3$ パートン行列要素を含めることで、$t\bar{t}+2$ サンプルと比較して相関損失が最大5–10%低減された。これは、ハードパートンシャワーのジェットが2つのハードパートンを上回るのを防ぐことで主に実現された。
• ラピディティの切断を適用すると、$t\bar{t}+2$ サンプルでは2つのハードジェットのうち1つが除去されるため、相関損失が顕著に増加するが、$t\bar{t}+3$ サンプルでは第3のハードジェットが存在するため、この損失が緩和される。
• 新しいマージングアルゴリズムは、CKKW-Lよりも$t\bar{t}+0,1$ パートンからの汚染をより効果的に抑制したが、$\Delta\phi$観測量における改善は明確ではなかった。
• 2つの最も高い$b$-ジェットを除いた全ジェットから2つの最も高い運動量を持つジェットを選択した場合、$t\bar{t}$二レプトン崩壊が$\Delta\phi$に与える影響は小さい。
• $t\bar{t}+3$ パートン行列要素は、特に厳しいラピディティの切断下でも、方位角相関を正確に予測する上で極めて重要であり、CP感受性のHiggsボソン測定における理論的不確実性を低減するために不可欠である。