[논문 리뷰] Measurement of CollinearDrop jet mass and its correlation with SoftDrop groomed jet substructure observables in $\sqrt{s}=200$ GeV $pp$ collisions by STAR

Y. Song|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 15.

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 STAR에서 $√{s}=200$ GeV $pp$ 충돌에서 처음으로 CollinearDrop 조각의 질량과 SoftDrop로 정제된 조각의 하위구조 관측량 간의 상관관계를 측정한다. MultiFold 기계학습 복원 방법을 사용하여, 높은 CollinearDrop 질량 비율이 비파erturbative 기여를 증가시키고, 정제 정도와 첫 번째 경량 분열의 각도 척도 사이에 반비례 관계가 있음을 보여주며, 초기 단계의 부드럽고 넓은 각도의 복사 효과를 통해 쿼크-글루온 분열 역학을 이해하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Jet substructure variables aim to reveal details of the parton fragmentation and hadronization processes that create a jet. By removing collinear radiation while maintaining the soft radiation components, one can construct CollinearDrop jet observables, which have enhanced sensitivity to the soft phase space within jets. We present a CollinearDrop jet measurement, corrected for detector effects with a machine learning method, MultiFold, and its correlation with groomed jet observables, in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV at STAR. We demonstrate that the population of jets with a large non-perturbative contribution can be significantly enhanced by selecting on higher CollinearDrop jet mass fractions. In addition, we observe an anti-correlation between the amount of grooming and the angular scale of the first hard splitting of the jet.

연구 동기 및 목표

• 조각의 부드럽고 넓은 각도 복사 영역을 탐색하여, 표준 SoftDrop 측정에서 억제되는 영역을 분석한다.
• 파트온 쇼워의 초기 단계에서 비파erturbative 복사의 지표로 사용할 수 있는 CollinearDrop 조각 질량 ($\Delta M/M$)을 측정한다.
• CollinearDrop 질량과 SoftDrop 관측량 ($R_{\mathrm{g}}$, $z_{\mathrm{g}}$) 간의 상관관계를 조사하여, 초기 복사가 후속 분열 역학을 어떻게 제약하는지 이해한다.
• 새로운 다차원 복원 기법을 사용하여 이벤트 생성기 예측(PYTHIA8, HERWIG7)을 데이터와 비교하여 검증한다.
• MultiFold 기계학습 복원 방법이 조각 하위구조 관측량의 다차원 상관관계를 유지하면서도 검출기 효과를 보정하는 데 효과적임을 보여준다.

제안 방법

• CollinearDrop 질량 비율 $\Delta M/M = (M - M_{\mathrm{g}})/M$을 측정하며, 여기서 $M$은 정제되지 않은 조각 질량이고 $M_{\mathrm{g}}$는 SoftDrop로 정제된 질량이다.
• SoftDrop 정제는 $(z_{\mathrm{cut}}, \beta) = (0.01, 0)$ 파라미터로 적용되어, 부드럽고 넓은 각도의 복사로 인한 질량 손실을 측정한다.
• 검출기 효과를 보정하기 위해 MultiFold 기계학습 복원 방법을 사용하여 다수의 조각 하위구조 관측량 간의 상관관계를 유지한다.
• 이 방법은 일차원 분포에서 RooUnfold와의 비교를 통해 검증되었으며, 2차원 및 고차원 상관관계 측정에 적용되었다.
• 조각 재구성은 TPC 트랙과 BEMC 타워를 사용하며, $20 < p_{\mathrm{T}} < 30$ GeV/$c$ 범위에서 수행되며, $M = M_{\mathrm{g}}$인 조각은 제외하여 작은 $\Delta M$의 가시성을 높인다.
• 추가적으로 $\mu = \max(M_1, M_2)/M_{\mathrm{g}}$ 측정을 수행하여 경량 분열에서 질량 분배를 탐색하였으며, 베이지안 복원을 통해 보정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SoftDrop 정제의 정도와 첫 번째 경량 분열의 각도 척도 $R_{\mathrm{g}}$ 사이에 $\Delta M/M$가 어떻게 상관되는가?
• RQ2 첫 번째 경량 분열의 운동량 불균형($z_{\mathrm{g}}$)은 비파erturbative 질량 기여($\Delta M/M$)와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 PYTHIA8과 HERWIG7와 같은 이벤트 생성기는 관측된 CollinearDrop와 SoftDrop 관측량 간의 상관관계를 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ4 MultiFold 기계학습 복원 방법은 검출기 효과를 보정하면서도 조각 하위구조 측정의 다차원 상관관계를 효과적으로 유지하는가?
• RQ5 초기 단계의 복사로 인해 후속 파트온 쇼워 분열의 위상공간이 어떻게 제약을 받는가? 이는 $\Delta M/M$, $R_{\mathrm{g}}$, $z_{\mathrm{g}}$ 간의 상호작용을 통해 어떻게 드러나는가?

주요 결과

• SoftDrop 정제 정도와 첫 번째 경량 분열의 각도 척도 $R_{\mathrm{g}}$ 사이에 반비례 관계가 관측되었으며, 이는 파트온 쇼워의 각도 순서와 일치한다.
• 더 큰 $R_{\mathrm{g}}$를 가진 조각은 작은 값에 집중된 sharper한 $\Delta M/M$ 분포를 보이며, 넓은 각도 분열은 추가 정제의 여유가 적음을 시사한다.
• 더 작은 $R_{\mathrm{g}}$를 가진 조각은 더 넓은 $\Delta M/M$ 분포를 보이며, 좁은 분열은 더 다양한 정제 가능성을 허용함을 시사하며, 이는 초기 단계의 부드러운 복사로 인한 것으로 보인다.
• $\Delta M/M$가 증가함에 따라 $z_{\mathrm{g}}$ 분포는 더 평탄해지며, 더 큰 비파erturbative 질량 기여는 첫 번째 분열에서의 운동량 불균형 감소와 관련이 있음을 나타낸다.
• PYTHIA8 Detroit와 HERWIG7 H7.1-Default 테이너는 데이터의 일반적 경향을 잘 묘사하지만, HERWIG에서 작은 $\Delta M$ 영역에서 일정한 긴장이 관측된다.
• $\mu$ 측정 결과는 $\Delta M/M$보다 $R_{\mathrm{g}}$에 덜 민감하며, PYTHIA6 STAR 테이너와 PYTHIA8 Monash 테이너에 의해 잘 묘사된다. 이는 좁은 분열이 더 적은 가상성질을 전달함을 시사한다.