[논문 리뷰] Looking inside jets: an introduction to jet substructure and boosted-object phenomenology

Simone Marzani, Grégory Soyez외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 58

한 줄 요약

제트 하위구조, 그루밍, 그리고 QCD에서 부스트된 객체 현상학에 대한 교수용 강의 노트 세트로, 이론, 관측 가능성, LHC에서의 응용에 중점을 둡니다.

ABSTRACT

The study of the internal structure of hadronic jets has become in recent years a very active area of research in particle physics. Jet substructure techniques are increasingly used in experimental analyses by the LHC collaborations, both in the context of searching for new physics and for Standard Model measurements. On the theory side, the quest for a deeper understanding of jet substructure algorithms has contributed to a renewed interest in all-order calculations in QCD. This has resulted in new ideas about how to design better observables and how to provide a solid theoretical description for them. In the last years, jet substructure has seen its scope extended, for example, with an increasing impact in the study of heavy-ion collisions, or with the exploration of deep-learning techniques. Furthermore, jet physics is an area in which experimental and theoretical approaches meet together, where cross-pollination and collaboration between the two communities often bear the fruits of innovative techniques. Despite the wealth of literature on this topic, we feel that a comprehensive and, at the same time, pedagogical introduction to jet substructure is still missing. This makes the endeavour of approaching the field particularly hard, as newcomers have to digest an increasing number of substructure algorithms and techniques, too often characterised by opaque terminology and jargon. Furthermore, while first-principle calculations in QCD have successfully been applied in order to understand and characterise the substructure of jets, they often make use of calculational techniques, such as resummation, which are not the usual textbook material. Thus, the idea of combining our experience in different aspects of jet substructure phenomenology to put together this set of lecture notes, which we hope could help and guide someone who moves their first steps in the physics of jet substructure.

연구 동기 및 목표

• 제트 하위구조 연구를 부스트된 전기약 규모 공진자를 QCD 제트와 구분하기 위한 도구로 삼는 동기를 부여합니다.
• 제트 물리학과 관련된 충돌에서 QCD에 대한 자립적이고 체계적인 교육용 소개를 제공합니다.
• 제트 알고리즘, 그루밍 기법, 제트 내부 구조를 분석하는 데 사용되는 관찰 가능 변수들을 조사합니다.
• 해석적 및 몬테카를로 비교를 제시하여 제트 질량 분포 및 그루밍의 영향을 이해합니다.
• 검색, 측정, 이론과 실험 간의 접점을 향한 응용을 강조합니다.

제안 방법

• 제트와 관련된 소프트/컬리너 한계에서의 QCD 이론과 팩토라이제이션을 검토합니다.
• 제트 관찰 가능성에서의 섭동 계산과 IRC 안전성의 역할을 설명합니다.
• 제트 알고리즘(연속 재결합 및 콘)과 실험적 고려사항을 논의합니다.
• 그루밍 여부에 따라 제트 질량 분포를 분석하여 모든 차수 재합산 개념을 설명합니다.
• 서브스트럭처 도구(그루머, 프롱-파인더, 제트 모양 관찰가능 변수)와 이들의 해석적 이해를 소개합니다.
• 비섭동 효과를 평가하기 위해 해석적 예측과 몬테카를로 시뮬레이션을 비교합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트 하위구조 관찰가능성은 QCD의 soft 및 collinear 한계에서 어떻게 해석적으로 이해될 수 있는가?
• RQ2 그루밍 기법이 제트 질량 분포 및 관련 관찰가능성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 그루밍 및 서브스트럭처 도구가 부스트된 공진자에서 온 신호 제트와 배경 QCD 제트를 구분하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 재합산(resummation) 및 팩토라이제이션 접근법(예: coherent branching, SCET)이 제트 관찰가능성을 설명하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 LHC에서의 검색과 측정에 제트 하위구조 방법을 어떻게 견고하게 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 제트 하위구조 기법은 검색과 표준모형(SM) 측정 모두에서 LHC 분석의 중심이 되었다.
• 그루밍은 부드럽고 비섭동적 효과에 대한 민감도를 감소시켜 기본 원리 계산과의 비교를 용이하게 한다.
• 해석적 이해는 그루밍 하에서의 제트 질량에 대한 모든 차원 재합산과 비섭동 보정의 상호 작용을 보여준다.
• 쿼크/글루온 구별 및 다중 프롱 태깅은 각도관찰량(angularities), ECFs 및 관련 관찰가능 변수들을 사용한 해석적 프레임워크 내에서 연구될 수 있다.
• 서브스트럭처 방법은 부스트된 보즈를 넘어서 중이온 물리학 및 새로운 ML 기반 접근법까지 확장된다.