[논문 리뷰] Hard color singlet BFKL exchange and gaps between jets at the LHC

Andreas Ekstedt, Rikard Enberg외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 제트-갭-제트 사건에서 경량 색 단일 두 글루온 교환를 기술하기 위해 BFKL 역학과 수정된 소프트 색 상호작용(Soft Color Interaction, SCI) 모델을 조합한 몬테카를로 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 해상도 제한이 있는 SCI 모델을 도입하여 갭을 파괴하는 소프트 글루온 교환를 감소시킴으로써, 표준 SCI 모델이 고에너지 $E_T$ 영역에서 파arton 다량성 증가로 실패하는 상황에서도, 다양한 제트 횡방향 운동량 영역에서 CMS 데이터를 성공적으로 재현한다.

ABSTRACT

We explore the perturbative QCD dynamics of hard parton-parton scattering through the exchange of a color singlet two-gluon ladder as described by the BFKL equation, resulting in a rapidity gap between two high transverse momentum jets. Implementing this in a complete Monte Carlo event simulation that also accounts for additional QCD processes at softer scales provides dynamical modeling of gap survival probabilities, which makes possible a detailed comparison with data on such jet-gap-jet events. New data from CMS at the LHC extend the dynamic range of the previous Tevatron data, and can be reproduced reasonably well provided that the Soft Color Interaction model is modified based on the idea of reduced resolution power of softer gluon exchanges. This indicates the need for further theoretical developments in connection with other color exchange processes related to rapidity gaps in the hadronic final state.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 고-$p_T$ 제트 사이의 빠르기 갭을 유도하는 하드 색 단일 BFKL 교환를 모델링하기 위해.
• 잠재적 갭을 파괴하는 소프트 QCD 효과를 동적으로 시뮬레이션함으로써 갭 생존 문제를 다루기 위해.
• CMS의 고횡방향 운동량 제트-갭-제트 데이터를 더 잘 기술하기 위해 표준 소프트 색 상호작용(soft color interaction, SCI) 모델을 개선하기 위해.
• 소형-$x$ QCD 과정에서 갭 생존 확률에 대한 현상학적으로 타당하고, 동적 기반의 프레임워크를 제공하기 위해.
• 현재 소프트 글루온 교환 모델의 이론적 한계를 규명하고, 소프트 색 교환의 제한된 해상도에 기반한 향상 방안을 제안하기 위해.

제안 방법

• 비정상 BFKL 방정식을 해석하여, 색 단일 두 글루온 래더를 통해 탄성 파arton-파arton 산란의 진폭을 계산함으로써 하드 과정을 구성한다.
• BFKL 진폭은 Pythia 6.4 몬테카를로 이벤트 생성기 내에 통합되었으며, 파arton 쇼어, 다중 파arton 상호작용, 그리고 Lund 스트링 모델을 통한 해체화 과정이 포함된다.
• 소프트 색 상호작용(soft color interaction, SCI) 모델을 사용하여 갭을 파괴할 수 있는 소프트 글루온 교환를 시뮬레이션하며, 파arton 클러스터 간 색 교환에 고정 확률을 도입한 수정된 버전이 사용된다.
• 수정된 SCI 모델은 소프트 글루온의 해상도가 제한되어 있음을 가정하여, 고에너지 $E_T$ 영역에서 효과적인 색 전하 상호작용과 갭 파괴를 감소시킨다.
• 시뮬레이션은 파arton 분포 함수(PDFs)와의 콘볼루션을 포함하며, 쿼크-쿼크 및 글루온-글루온 산란 기여도를 모두 고려한다.
• 모델은 CMS 7 TeV 제트-갭-제트 데이터와의 비교를 통해 검증되었으며, $\Delta\eta$ 및 $E_{T}$ 구간에서의 비교 분석이 수행되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 갭 생존 모델링을 갖춘 BFKL 기반 하드 과정이 LHC 에너지에서 관측된 제트-갭-제트 단면적을 재현할 수 있는가?
• RQ2 왜 표준 소프트 색 상호작용(soft color interaction, SCI) 모델이 CMS의 고-$E_T$ 제트--gap-제트 데이터를 기술하지 못하는가?
• RQ3 고파톤 다량성에서 갭 파괴의 과도한 추정을 줄이기 위해 소프트 글루온 교환의 해상도 능력을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 낮은 $E_T$ 영역에서의 일치를 유지하면서 고-$E_T$ CMS 데이터와의 일치를 달성하기 위해 SCI 모델에 어떤 수정이 필요한가?
• RQ5 QCD 기반의, 해상도 제한이 있는 색 교환 메커니즘이 소형-$x$ 과정에서 갭 생존에 더 견고한 이론적 기반을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 표준 SCI 모델은 고제트 횡방향 운동량($E_T > 100$ GeV)에서 갭 생존을 과소평가하여, CMS 데이터에 비해 생존 갭 수를 너무 적게 예측한다.
• 소프트 글루온 교환의 해상도가 제한되어 있음을 가정한 수정된 SCI 모델은 고-$E_T$ 영역에서 특히 CMS 데이터와의 일치를 크게 향상시킨다.
• 향상된 모델은 고에너지 $E_T$ 영역에서 효과적인 색 전하 상호작용 수를 감소시킴으로써 생존 갭의 예측 비율을 높인다.
• 모델은 Tevatron 데이터의 겹치는 $E_T$ 범위에서 $\Delta\eta$ 및 $E_T$ 의존성 모두를 잘 기술하여, 다양한 에너지 범위에서의 일관성을 검증한다.
• 수정된 모델의 성공은 소프트 글루온이 개별 파arton을 해상도 없이 해석할 수 없음을 시사하며, 이는 효과적인 갭 파괴 상호작용 수를 줄이는 데 기여한다.
• 결과는 소프트 색 교환 모델의 이론적 발전이 더 필요하며, 특히 다중성 과정과 QCD 기반의 동적 색 교환 형식론의 맥락에서 강조된다.