[논문 리뷰] Measurement of jet production in deep inelastic scattering and NNLO determination of the strong coupling at ZEUS

ZEUS Collaboration, Aggarwal, R.외 79명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 √s = 318 GeV에서 ZEUS 데이터 347 pb⁻¹를 사용하여 브라이트 프레임에서의 포함형 제트 생성을 고정밀도로 측정하며, kt-알고리즘을 적용한다. 분석을 통해 다음에 이르는 고차원(Next-to-Next-to-Leading-Order, NNLO)으로 강한 상호작용 상수를 결정할 수 있었으며, αs(M²Z) = 0.1142 ± 0.0017 (실험/피팅) +0.0006/−0.0007 (모델/파rameterization) +0.0006/−0.0004 (스케일)의 결과를 도출하였다. 스케일 불확실성 처리를 개선하고 저항도 Q² 영역의 데이터 영향을 줄임으로써 불확실성 통제가 향상되었다.

ABSTRACT

A new measurement of inclusive-jet cross sections in the Breit frame in neutral current deep inelastic scattering using the ZEUS detector at the HERA collider is presented. The data were taken in the years 2004 to 2007 at a centre-of-mass energy of $318\, ext{GeV}$ and correspond to an integrated luminosity of $347\, ext{pb}^{-1}$. Massless jets, reconstructed using the $k_t$-algorithm in the Breit reference frame, have been measured as a function of the squared momentum transfer, $Q^2$, and the transverse momentum of the jets in the Breit frame, $p_{\perp, ext{Breit}}$. The measured jet cross sections are compared to previous measurements and to perturbative QCD predictions. The measurement has been used in a next-to-next-to-leading-order QCD analysis to perform a simultaneous determination of parton distribution functions of the proton and the strong coupling, resulting in a value of $\alpha_s(M_Z^2) = 0.1142 \pm 0.0017~ ext{(experimental/fit)}$${}^{+0.0006}_{-0.0007}~ ext{(model/parameterisation)}$${}^{+0.0006}_{-0.0004}~ ext{(scale)}$, whose accuracy is improved compared to similar measurements. In addition, the running of the strong coupling is demonstrated using data obtained at different scales.

연구 동기 및 목표

• HERA에서 중성형인성 깊은 비탄성 산란(DIS)의 브라이트 프레임에서 포함형 제트 단면적을 측정한다.
• 스케일 및 모델 불확실성 처리를 개선하여 강한 상호작용 상수 αs(M²Z)의 결정 불확실성을 감소시킨다.
• 다양한 Q² 영역에서의 데이터를 활용하여 에너지 스케일에 따른 αs의 러닝을 테스트한다.
• QCD에서 NNLO 수준에서 글로벌 PDF 및 αs 피팅을 위한 고정밀도 데이터 세트를 제공한다.
• 제트 생성 및 αs 러닝에 대한 양자 양자역학적 예측의 타당성을 검증한다.

제안 방법

• 7 < p⊥,Breit < 50 GeV 및 −1 < ηlab < 2.5 범위에서 브라이트 프레임에서 kt-알고리즘을 사용해 재구성된 제트.
• DIS 운동역학 범위 150 < Q² < 15000 GeV² 및 0.2 < y < 0.7에서 Q² 및 p⊥,Breit에 대한 이중미분 포함형 제트 단면적 측정.
• χ² 스캔을 사용하여 실험/피팅, 모델/파rameterization, 스케일 불확실성을 분리하여 불확실성 추정을 수행하고, 동시에 NNLO QCD 피팅을 통해 양자분포함수(PDFs)와 αs(M²Z)를 추출한다.
• 모델 불확실성 제거 및 여섯 점 스케일 변동(0.5 및 2.0 배수)을 통한 체계적 변동을 통해 실험/피팅, 모델/파rameterization, 스케일 불확실성을 분리한다.
• 검출기 효과를 보정하기 위해 행렬 전개(unfolding) 기법을 사용한다.
• 글로벌 PDF 피팅 및 QCD 예측과의 비교를 통해 결과를 검증하였으며, αs의 양자역학적 러닝과의 일관성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HERA에서 DIS의 브라이트 프레임에서 포함형 제트 단면적 측정의 정밀도는 어떠한가?
• RQ2 고정밀도 제트 데이터의 포함이 NNLO 수준에서 αs(M²Z) 결정에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 저항도 Q² 영역의 제트 데이터를 피팅에서 제외할 경우 αs(M²Z)의 스케일 불확실성은 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 측정된 에너지 스케일 범위에서 강한 상호작용 상수의 러닝은 양자역학적 예측과 일치하는가?
• RQ5 αs(M²Z)의 실험, 모델, 스케일 불확실성은 어떻게 분해되고 최종 불확실성에 기여하는가?

주요 결과

• 포함형 제트 단면적 측정의 불확실성은 이전 측정과 유사하였으며, NNLO QCD 예측과 잘 일치하였다.
• 강한 상호작용 상수는 αs(M²Z) = 0.1142 ± 0.0017 (실험/피팅) +0.0006/−0.0007 (모델/파arameterization) +0.0006/−0.0004 (스케일)로 결정되었으며, 이는 이전 결정보다 정밀도 향상을 나타낸다.
• 스케일 불확실성 감소의 주요 원인은 저항도 Q² 영역의 제트 데이터를 피팅에서 제외함으로써 스케일 변동에 대한 민감도가 감소했기 때문이다.
• 에너지 스케일에 따른 αs(µ²)의 러닝은 다수의 Q² 영역에서의 데이터로 확인되었으며, 양자역학적 예측과 일치한다.
• 단면적 데이터는 HEPData 및 xFitter 호환 파일 형식으로 기계가 읽을 수 있는 형식으로 공개되어 있으며, 향후 글로벌 피팅에 활용 가능하다.
• 결과는 글로벌 PDF 피팅과 일치하며, 제트 데이터만을 사용한 교차검증에서는 약간 더 높은 불확실성을 보였으며, 이는 불확실성 분해의 타당성을 확인한다.