[논문 리뷰] Measurement of multidifferential cross sections for dijet production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2318명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 36.3 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 다중미분 단면적 측정을 제시한다. R = 0.4 및 0.8인 anti-kT 제트 클러스터링을 사용하여 제트 빠르기, 진동 질량, 및 운동량의 이중미분(2D) 및 삼중미분(3D) 측정을 수행하고, 검출기 효과를 풀어내어 NNLO pQCD 예측과 비교하여 αS(mZ) = 0.1179 ± 0.0019를 도출한다.

ABSTRACT

A measurement of the dijet production cross section is reported based on proton-proton collision data collected in 2016 at $\sqrt{s}$ = 13 TeV by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of up to 36.3 fb$^{-1}$. Jets are reconstructed with the anti-$k_\mathrm{T}$ algorithm for distance parameters of $R$ = 0.4 and 0.8. Cross sections are measured double-differentially (2D) as a function of the largest absolute rapidity $\lvert y_ ext{max} vert$ of the two jets with the highest transverse momenta $p_\mathrm{T}$ and their invariant mass $m_{1,2}$, and triple-differentially (3D) as a function of the rapidity separation $y^*$, the total boost $y_\mathrm{b}$, and either $m_{1,2}$ or the average $p_\mathrm{T}$ of the two jets. The cross sections are unfolded to correct for detector effects and are compared with fixed-order calculations derived at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. The impact of the measurements on the parton distribution functions and the strong coupling constant at the mass of the Z boson is investigated, yielding a value of $\alpha_\mathrm{S}$ = 0.1179 $\pm$ 0.0019.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 이중 및 삼중미분 제트 단면적을 고정밀도로 측정하기 위해.
• 다중 제트 최종 상태를 이용하여 글루온 부분자 분포 함수와 강한 상호작용 상수 αS를 탐색하기 위해.
• 다음다음최고순서(Next-to-Next-to-Leading Order, NNLO) 정확도의 고정순서 양자 chromodynamics 예측을 테스트하기 위해.
• 고정밀도 LHC 데이터의 포함을 통해 글로벌 PDF 세트와 αS(mZ)에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 넓은 위상공간에서 양자 색역학 예측과 실험 데이터 간의 일관성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 13 TeV 양성자-양성자 충돌 데이터 36.3 fb⁻¹에서 R = 0.4 및 R = 0.8인 anti-kT 알고리즘을 사용하여 재구성된 제트.
• 이중미분 단면적을 |y|max 및 m1,2의 함수로 측정하고, 삼중미분 단면적을 y∗, yb 및 m1,2 또는 ⟨pT⟩1,2의 함수로 측정.
• 반복적 베이지안 방법을 사용하여 검출기 해상도 및 수용률 효과를 보정하기 위해 언폴딩 기법을 적용.
• 완전한 양성자 기반 행렬 요소와 부분자 분포 함수를 포함한 고정순서 NNLO pQCD 계산과 결과를 비교.
• 새로운 데이터를 포함한 글로벌 PDF 피팅을 수행하여 αS(mZ)를 추출하고 글루온 및 쿼크 PDF 제약 조건을 향상.
• HEPData를 사용하여 전체 표본 결과를 공개 접근 및 향후 글로벌 피팅을 위해 배포.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 다중미분 제트 단면적은 다양한 운동역학 영역에서 NNLO pQCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 이 고정밀도 측정이 Z 보손 질량 스케일에서 강한 상호작용 상수 αS의 결정에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 2D 및 3D 관측량은 부분자 분포 함수와 제트 구조에 대해 어떤 차이를 보이는가?
• RQ4 이 데이터는 글로벌 PDF 피팅에서 글루온 및 쿼크 PDF 제약 조건을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 y∗ 및 yb에서의 측정된 분포는 부분자 산란 각도와 운동량 불균형에 기반한 이론적 기대와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• |y|max 및 m1,2에 대한 측정된 이중미분 단면적은 전체 위상공간에서 NNLO pQCD 예측과 양호한 일치를 보였다.
• y∗, yb 및 m1,2에 대한 삼중미분 단면적은 2D 측정에 비해 글루온 PDF 및 제트 구조에 더 높은 민감도를 보였다.
• 이 데이터를 글로벌 PDF 피팅에 포함시켜 αS(mZ) = 0.1179 ± 0.0019의 정밀한 결정을 도출하였으며, 세계 평균과 일치하였다.
• 3D 측정은 특히 전방 및 중심 빠르기 영역에서 부분자 산란 각도 의존성에 대해 개선된 제약 조건을 제공하였다.
• 2D 측정은 더 넓은 빠르기 범위를 갖기 때문에 높은 통계 정밀도와 더 넓은 m1,2 범위를 확보하였다.
• 언폴딩 보정은 검출기 효과를 크게 감소시켰으며, 대부분의 범위에서 시스템적 불확실도가 5% 이하로 유지되어 측정의 견고성을 입증하였다.