[논문 리뷰] Jet substructure in ATLAS

D. W. Miller|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $\sqrt{s} = 7$ TeV에서의 proton-proton 충돌에서 피트 제트 알고리즘과 필터링 기법을 사용한 LHC에서의 처음으로 제트 서브스트럭처 측정을 제시하며, 제트 질량과 $k_t$ 분열 스케일을 정밀하게 제어함을 보여준다. 몬테카를로 모델을 검증하고 필터링을 통해 피킹업 효과를 감소시키며, 이 도구들을 사용해 부스터드 톰 쿼크와 $W$ 보손을 식별함으로써, 하드론 final state에서 무거운 공명 상태를 위한 새로운 탐색이 가능해진다.

ABSTRACT

Measurements are presented of the jet invariant mass and substructure in proton-proton collisions at sqrt{s} = 7 TeV with the ATLAS detector using an integrated luminosity of 37 pb-1. These results exercise the tools for distinguishing the signatures of new boosted massive particles in the hadronic final state. Two "fat" jet algorithms are used, along with the filtering jet grooming technique that was pioneered in ATLAS. New jet substructure observables are compared for the first time to data at the LHC. Finally, a sample of candidate boosted top quark events collected in the 2010 data is analyzed in detail for the jet substructure properties of hadronic "top-jets" in the final state. These measurements demonstrate not only our excellent understanding of QCD in a new energy regime but open the path to using complex jet substructure observables in the search for new physics.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 검출기 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 7$ TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌에서 제트 질량과 서브스트럭처 관측량을 측정하는 것.
• 부스터드 무거운 입자를 해소하는 데 있어 피트 제트 알고리즘(anti-$k_t$ 및 C/A)과 필터링 기법의 성능을 평가하는 것.
• 제트 질량 스케일의 시스템적 불확도와 피킹업이 제트 서브스트럭처 관측량에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 제트 질량과 분열 스케일 분포에 대해 몬테카를로 시뮬레이션(PYTHIA, HERWIG++, ALPGEN)을 데이터와 비교하여 검증하는 것.
• 이 도구들을 사용해 하드론 final state에서 부스터드 톰 쿼크 및 $W$ 보손 붕괴를 식별하는 것.

제안 방법

• ATLAS에서 $\sqrt{s} = 7$ TeV 프로톤-프로톤 충돌로부터 제트를 재구성하기 위해 $R = 1.0$인 anti-$k_t$ 및 $R = 1.2$인 Cambridge-Aachen(C/A) 피트 제트 알고리즘을 사용한다.
• C/A 제트에서 부드럽고 넓은 각도의 복사장을 제거하고 피킹업 오염을 감소시키기 위해 필터링 제트 그루밍을 적용한다.
• LHC에서 처음으로 $k_t$ 분열 스케일 $\sqrt{d_{12}}$를 측정하여 제트 서브스트럭처에 대한 새로운 관측량을 제공한다.
• 입자 수준 시뮬레이션을 사용하여 검출기 효과를 보정하고, 전체 시스템적 불확도 평가를 수행한다.
• 검증을 위해 세 가지 몬테카를로 생성기(ALPGEN + HERWIG++/JIMMY, PYTHIA 6.423, HERWIG++ 2.4)의 데이터와 비교한다.
• 분류 재구성에 $R = 1.0$을 사용하여 병합된 톰 제트와 $W$-제트를 식별하며, $p_T$, 질량, 분열 스케일을 분류 기준으로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 anti-$k_t$ 및 C/A 피트 제트 알고리즘이 $\sqrt{s} = 7$ TeV 환경에서 제트 질량과 서브스트럭처를 얼마나 잘 재구성하는가?
• RQ2 필터링이 C/A 제트의 제트 질량에 피킹업 효과를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 몬테카를로 시뮬레이션은 제트 질량과 $k_t$ 분열 스케일($\sqrt{d_{12}}$) 분포를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ4 서브스트럭처 관측량은 데이터에서 부스터드 하드론적 톰 쿼크와 $W$ 보손을 식별하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 제트 질량 스케일의 불확도는 얼마이며, 이는 새로운 물리 현상 탐색에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ATLAS에서 처음으로 제트 질량 스케일 불확도를 측정하였으며, 공명 상태 탐색에 대한 함의를 지닌다.
• LHC에서 처음으로 $k_t$ 분열 스케일 $\sqrt{d_{12}}$를 측정하였으며, 데이터와 시뮬레이션 간 양호한 일치를 보였다.
• 2010 데이터셋에서 필터링을 통해 C/A 제트 질량에 대한 피킹업 효과를 감지할 수 없을 정도로 감소시켰으며, 고광도 환경에서의 사용을 검증하였다.
• HERWIG++는 관측된 데이터보다 높은 C/A 제트 질량을 예측하여 약간의 긴장이 있음을 나타내었고, PYTHIA 및 ALPGEN + HERWIG++는 불확도 범위 내에서 일치하였다.
• 부스터드 톰 쿼크 이벤트 후보를 $p_T = 327$ GeV, $m_{\text{jet}} = 206$ GeV, $\sqrt{d_{12}} = 110$ GeV, $\sqrt{d_{23}} = 40$ GeV로 식별하였으며, 이는 톰 붕괴와 일치하였다.
• 필터링된 C/A 제트 질량 분포에서 $p_T > 180$ GeV, $\Delta\phi > 1.2$ 조건에서 명확한 $W$ 보손 질량 피크를 관측하여, 부스터드 하드론적 $W$ 붕괴 존재를 확인하였다.