[논문 리뷰] Back-to-back azimuthal correlations in $\mathrm {Z} +$jet events at high transverse momentum in the TMD parton branching method at next-to-leading order

H. Yang, A. Bermúdez Martínez외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고운동량 전단력(pT ≈ 100–1000 GeV)에서 Z 보손과 제트 간의 원추형 관련성과 다중제트 사건 간의 원추형 관련성을 비교함으로써 QCD에서의 인과성 붕괴 효과를 탐지하기 위한 새로운 실험적 탐지기를 제안한다. Parton Branching (PB) TMD 방법을 NLO 계산과 MCatNLO를 통해 매칭하여, pT ~ 100 GeV에서 Z+제트 원추형 관련성이 이중제트 생성보다 더 급격한 경향을 보이며, pT ~ 1000 GeV에서 수렴함을 보여주며, 초기상태 및 최종상태 복사의 차이가 비구속 동역학을 드러내는 데 기여할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Azimuthal correlations in Z+jet production at large transverse momenta are computed by matching Parton - Branching (PB) TMD parton distributions and showers with NLO calculations via MCatNLO. The predictions are compared with those for dijet production in the same kinematic range. The azimuthal correlations $Δϕ$ between the Z boson and the leading jet are steeper compared to those in dijet production at transverse momenta ${\cal O}(100)$ GeV, while they become similar for very high transverse momenta ${\cal O}(1000)$ GeV. The different patterns of Z+jet and dijet azimuthal correlations can be used to search for potential {\it factorization - breaking} effects in the back-to-back region, which depend on the different color and spin structure of the final states and their interferences with the initial states. In order to investigate these effects experimentally, we propose to measure the ratio of the distributions in $Δϕ$ for Z+jet - and multijet production at low and at high transverse momenta, and compare the results to predictions obtained assuming factorization. We examine the role of theoretical uncertainties by performing variations of the factorization scale, renormalization scale and matching scale. In particular, we present a comparative study of matching scale uncertainties in the cases of PB-TMD and collinear parton showers.

연구 동기 및 목표

• 고운동량에서 Z+제트와 이중제트 생성 간의 원추형 관련성 차이를 조사하기 위해.
• 초기상태 및 최종상태 복사에서 발생하는 색과 스핀 간섭으로 인한 QCD의 잠재적 인과성 붕괴 효과를 탐지하기 위해.
• 인과성 가정을 시험하기 위한 측정 가능한 관측량—Z+제트 대 다중제트 사건 간의 ∆φ 분포 비율—을 제안하기 위해.
• PB-TMD와 콜린어 파르톤 쇄와의 비교를 통해 인과성 매칭 스케일 의존성 및 스케일 변화에 의한 이론적 불확실성 평가하기 위해.
• 이전에 정밀한 각도 해상도로 탐색되지 못한 고운동량에서의 백-투-백 영역(Δφ ≈ π)에 대한 새로운 실험적 접근 가능성을 제공하기 위해.

제안 방법

• 전단력에 의존하는 파르톤 분포 함수(PDF) 및 파르톤 쇄를 모델링하기 위해 파르톤 분기(PB) 방법을 사용한다.
• MCatNLO 프레임워크를 통해 PB-TMD로 진화된 PDF를 NLO 수준의 Z+제트 생성 계산과 매칭한다.
• NLO 행렬 요소를 위해 MADGRAPH5_AMC@NLO를 사용하고, 검증을 위해 CAS3 및 H6 파르톤 쇄 알고리즘과 통합한다.
• 이론적 불확실성을 정량화하기 위해 인과성, 재정규화 및 매칭 스케일의 체계적 스케일 변동을 수행한다.
• PB-TMD 예측과 콜린어 파르톤 쇄(H6) 예측을 비교하여 매칭 스케일 민감도를 평가한다.
• Z+제트 및 이중제트 사건 간의 ∆φ 분포를 일관되게 비교하기 위해 동일한 LHE 파일을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고운동량에서 Z 보손과 제트 간의 원추형 관련성은 이중제트 생성과 어떻게 다를까?
• RQ2 고pT에서 QCD의 인과성 붕괴 효과를 실험적으로 탐지하기 위해 어떤 관측량을 사용할 수 있을까?
• RQ3 스케일 변화에 의한 이론적 불확실성은 PB-TMD 예측에 대해 콜린어 쇄와 비교해 볼 때 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 TMD 동역학과 소프트 글루온 재결합이 pT ~ 1000 GeV에서 Z+제트 사건의 ∆φ 분포에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 Z+제트 및 다중제트 사건 간의 ∆φ 분포 비율은 비구속 효과를 청소하고자 하는 청결한 탐지기로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• pT ≈ 100 GeV에서, 더 강한 초기상태 복사와 색 간섭 효과로 인해 Z+제트 원추형 관련성이 이중제트 생성보다 더 급격한 경향을 보인다.
• pT ≈ 1000 GeV에서, Z+제트 및 이중제트 생성 간의 ∆φ 분포가 유사해지며, 이는 양성적 동역학의 수렴을 시사한다.
• 스케일 변화에 의한 이론적 불확실성은 PB-TMD와 콜린어 쇄 프레임워크 간에 잘 통제되고 일관된다.
• MCatNLO와 매칭된 PB-TMD 방법은 NLO+PS 예측을 성공적으로 재현하여 고운동량 연구에서의 적용 가능성을 검증한다.
• Z+제트 및 다중제트 사건 간의 ∆φ 비율 비교는 인과성 검증을 위한 강력하고 스케일 불변 관측량을 제공한다.
• 앞서거나 뒤쪽 영역에서의 위상도 분포의 불일치는 특히 VQCUT 및 VGCUT와 같은 파르톤 쇄 파rameter에 민감하다.