[논문 리뷰] Determination of the strong coupling and its running from measurements of inclusive jet production

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 2.76, 7, 8, 13 TeV 에너지에서 CMS가 측정한 이중미분 포함 제트 단면적을 분석하여, Z 보손 질량 스케일에서 다음다음최고순서(NNLO) 정확도로 강한 상호작용 상수 αS를 결정한다. 이와 함께 HERA의 깊은비탄성산란 데이터를 통합한다. 결과는 αS(mZ) = 0.1176+0.0014−0.0016이며, 1.6 TeV까지 αS의 실행(run)에 대한 증거를 확보하였다. 이는 강한 상호작용 상수 αS와 구분분포함수(PDFs)를 동시에 추출함으로써 달성되었다.

ABSTRACT

The value of the strong coupling $\alpha_\mathrm{S}$ is determined in a comprehensive analysis at next-to-next-to-leading order accuracy in quantum chromodynamics. The analysis uses double-differential cross section measurements from the CMS Collaboration at the CERN LHC of inclusive jet production in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of 2.76, 7, 8, and 13 TeV, combined with inclusive deep-inelastic data from HERA. The value $\alpha_\mathrm{S}(m_\mathrm{Z})$ = 0.1176$\,^{+0.0014}_{-0.0016}$ is obtained at the scale of the Z boson mass. By using the measurements in different intervals of jet transverse momentum, the running of $\alpha_\mathrm{S}$ is probed for energies between 100 and 1600 GeV.

연구 동기 및 목표

• 포함 제트 생성 데이터를 사용하여 Z 보손 질량 스케일에서 높은 정밀도로 강한 상호작용 상수 αS를 결정하는 것.
• 제트 단면적 측정을 통해 100 GeV에서 1.6 TeV의 에너지 스케일에 걸쳐 αS의 실행을 탐색하는 것.
• αS와 구분분포함수(PDFs)를 동시에 추출하여 상호상관에 기인한 편향을 줄이는 글로벌 QCD 분석을 수행하는 것.
• pT 및 |y| 간격에 걸쳐 상관관계를 모델링함으로써 제트 에너지 스케일과 해상도 불확실성의 이해를 향상시키는 것.

제안 방법

• √s = 2.76, 7, 8, 13 TeV에서 CMS가 측정한 이중미분 포함 제트 단면적을 사용하여 다음다음최고순서(NNLO) 양성광역학(QCD) 글로벌 피팅을 수행한다.
• CMS 제트 데이터를 HERA의 포함형 깊은비탄성산란(DIS) 단면적 데이터와 통합하여 αS와 PDFs에 대한 제약 조건을 강화한다.
• 제트 재구성에 대해 반-kt 알고리즘(R = 0.7)을 사용하고, 에너지 및 운동량 해상도를 향상시키기 위해 입자 흐름 재구성 기법을 적용한다.
• pT, |y| 및 질량 중심 에너지에 걸쳐 상관관계를 포함한 세부적인 제트 에너지 스케일(JES) 및 제트 에너지 해상도(JER) 불확실성을 통합한다.
• αS(mZ)와 PDFs를 동시에 추출하기 위해 적합한 피팅을 적용하여 상호상관에 기인한 편향을 최소화한다.
• QCD 분석을 구현하고 불확실성의 일관된 전파를 위해 XFITTER 프레임워크를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z 보손 질량 스케일에서 다음다음최고순서(NNLO) 정확도로 결정된 강한 상호작용 상수 αS의 정밀한 값은 무엇인가?
• RQ2 QCD가 예측한 바와 같이, 100 GeV에서 1.6 TeV의 에너지 범위에서 αS의 실행이 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ3 αS와 PDFs를 동시에 추출할 경우, 순차적 피팅에 비해 체계적 편향이 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 제트 에너지 스케일과 해상도 불확실성, 특히 pT 및 |y| 간격에 걸친 상관관계가 αS의 최종 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LHC 제트 데이터와 HERA DIS 데이터를 통합함으로써 αS와 PDFs의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Z 보손 질량 스케일에서 강한 상호작용 상수는 다음다음최고순서(NNLO) 정확도로 αS(mZ) = 0.1176+0.0014−0.0016로 결정되었다.
• 100 GeV에서 1.6 TeV의 에너지 범위에서 αS의 실행이 관측되었으며, QCD 예측과 일치한다.
• αS와 PDFs를 동시에 추출함으로써 상호상관에 기인한 잠재적 편향이 감소하여 αS 결정의 신뢰성이 향상되었다.
• pT 및 |y| 간격에 걸쳐 상관관계를 명시적으로 고려하여 제트 에너지 스케일과 해상도 불확실성의 세부 모델링이 분석에 포함되었다.
• HERA DIS 데이터의 포함으로 PDFs에 대한 제약 조건이 강화되었고, αS 결정의 정밀도가 향상되었다.
• 결과는 10.1016/j.physletb.2025.139651 DOI를 가진 Physics Letters B에 게재되었으며, CC-BY-4.0 라이선스를 적용하였다.