[논문 리뷰] Analytic Boosted Boson Discrimination at the Large Hadron Collider

Andrew J. Larkoski, Ian Moult외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 광범위한 다다각형 제트 서브스트럭처 관측량, 특히 $D_2$ 분류자에 대해 분석적 계산을 위한 체계적인 효과적 이론 프레임워크를 제시한다. 이는 다음 차수 로그(NLL) 정확도를 달성하고 주어진 고정 순서 결과와 매칭함으로써 양자 chromodynamics(QCD) 배경과의 분리 능력을 향상시키기 위해 양자역학적 및 비양자역학적 효과를 정밀하게 모델링한다. 특히 비양자역학적 형태 함수를 고려함으로써, 부스트된 $W/Z/H$ 보손을 QCD 배경에서 더 잘 식별할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Jet substructure is playing a central role at the Large Hadron Collider (LHC) probing the Standard Model in extreme regions of phase space and providing innovative ways to search for new physics. Analytic calculations of experimentally successful observables are a primary catalyst driving developments in jet substructure, allowing for a deeper understanding of observables and for the exploitation of increasingly subtle features of jets. In this paper we present a field theoretic framework enabling systematically improvable calculations of groomed multi-prong substructure observables, which builds on recent developments in multi-scale effective theories. We use this framework to compute for the first time the full spectrum for groomed tagging observables at the LHC, carefully treating both perturbative and non-perturbative contributions in all regions. Our analysis enables a precision understanding which we hope will improve the reach and sophistication of jet substructure techniques at the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 광범위한 다다각형 제트 서브스트럭처 관측량을 계산하기 위한 체계적으로 개선 가능한 장 이론 프레임워크를 개발하는 것.
• D_2 관측량에 대해 양자역학적 QCD에서 다음 차수 로그(NLL) 정확도를 달성하고 주어진 고정 순서 결과와 매칭하는 것.
• 형태 함수 $F(\epsilon)$를 통해 양자역학적 이하 효과—예를 들어 하드론화와 다중 파arton 상호작용—을 일반화된 형태로 모델링하는 것.
• 부스트된 $Z$ 보손과 QCD 제트의 $D_2$ 분포에 대해 정밀한 이론적 이해를 제공하여 분리 능력을 향상시키는 것.
• Pythia 8 시뮬레이션을 사용하여 프레임워크를 검증하고, 쿼크 및 글루온 제트 간에 비양자역학적 매개변수 $\Omega_D$의 보편성이 확인되는 것.

제안 방법

• 부스트된 제트에서 다양한 에너지 척도의 복사 영역을 분리하기 위해 다중 척도 효과적 이론(EFT)을 사용한다.
• D_2 분포에서 지배적인 로그 증폭 항목을 줄이기 위해 재규격화 군 진화를 적용한다.
• 고정된 $D_2$ 관측량에 대한 인과성 정리 도출을 통해 양자역학적 및 비양자역학적 기여를 분리한다.
• 비양자역학적 효과를 형태 함수 $F(\epsilon) = (4\epsilon/\Omega_D^2)e^{-2\epsilon/\Omega_D}$ 를 사용하여 모델링하고, 이는 양자역학적 단면과 콘볼루션된다.
• Pythia 8.226에서 $e^+e^-$ 충돌에서 $\Omega_D$ 를 추출하여 쿼크 및 글루온 제트 간 보편성이 확인된다.
• 완전한 정확도를 확보하기 위해 $1\to3$ 분열 함수를 사용하여 NLL 양자역학적 결과와 주어진 고정 순서 계산을 매칭한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 체계적인 EFT 프레임워크를 구축하여 LHC에서 $D_2$와 같은 광범위한 다다각형 제트 서브스트럭처 관측량을 NLL 정확도로 계산할 수 있는가?
• RQ2 특히 하드론화와 다중 파톤 상호작용을 포함한 비양자역학적 효과가 부스트된 $Z$ 및 QCD 제트에서 $D_2$ 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비양자역학적 형태 함수 $F(\epsilon)$ 는 다양한 파르톤 초기 상태(쿼크 대 비어드)와 질량 컷에 대해 보편적인가?
• RQ4 비양자역학적 보정이 $D_2$ 기반의 $Z$ 보손 태깅에서 신호 효율성 대 배경 제거 능력에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ5 D_2 스펙트럼의 양자역학적 및 비양자역학적 성분을 이론적 통제 하에 분리하고 분석적으로 모델링할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• LHC에서의 광범위한 다다각형 제트 서브스트럭처 관측량 $D_2$에 대해 NLL-정렬 및 고정 순서 결과 매칭을 통한 첫 번째 정밀한 이론 예측이 달성되었다.
• 비양자역학적 효과는 단일 보편 형태 함수 $F(\epsilon)$ 로 잘 기술되며, $\Omega_D$ 는 $e^+e^-$ 충돌에서 추출되었고 쿼크 및 글루온 제트에서 동일한 것으로 확인되었다.
• 형태 함수는 비양자역학적 기여가 증가하는 작은 질량 영역에서도 Pythia 8 시뮬레이션에서 하드론화 효과를 정확하게 재현한다.
• 다중 파톤 상호작용(MPI)은 효과적인 제트 면적 감소 $m_J^2/p_{TJ}^2 \ll z_{\text{cut}}$ 로 인해 $D_2$ 분포에서 무시할 만큼 작다.
• 비양자역학적 보정은 특히 $Z$ 보손 식별에 핵심적인 낮은 $D_2$ 영역에서 분리 효율에 비선형적인 영향을 미친다.
• 분석적 프레임워크는 양자역학적 및 비양자역학적 역학에 대한 견고한 이론적 통제를 가능하게 하여, 향후 LHC에서의 개선된 제트 서브스트럭처 기법을 위한 길을 열었다.