[논문 리뷰] Measurement of the Lund jet plane in hadronic decays of top quarks and W bosons with the ATLAS detector

G. Aad, Erlend Aakvaag외 2888명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 확보한 13 TeV 프로톤-프로톤 충突의 140 fb⁻¹ 데이터를 이용해 탑 쿼크 및 W 보손의 하드론 붕괴에서 룬드 제트 평면(Lund jet plane, LJP)을 처음으로 측정한다. LJP는 파르톤 샤워 및 하드론화 역학에 민감한 이차원 제트 서브구조 관측량으로, 특히 W 보손이 기인한 제트에서 데이터와 모든 몬테카를로 예측 간에 뚜렷한 격리가 발견되어 고질량 입자 붕괴의 모델링 향상의 필요성을 부각시킨다.

ABSTRACT

The Lund jet plane (LJP) is measured for the first time in $t\bar{t}$ events, using 140 $ extrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV pp collision data collected with the ATLAS detector at the LHC. The LJP is a two-dimensional observable of the sub-structure of hadronic jets that acts as a proxy for the kinematics of parton showers and hadron formation. The observable is constructed from charged particles and is measured for $R=1.0$ anti-$k_t$ jets with transverse momentum above 350 GeV containing the full decay products of either a top quark or a daughter W boson. The other top quark in the event is identified from its decay into a b-quark, an electron or a muon and a neutrino. The measurement is corrected for detector effects and compared with a range of Monte Carlo predictions sensitive to different aspects of the hadronic decays of the heavy particles. In the W-boson-initiated jets, all the predictions are incompatible with the measurement. In the top quark initiated jets, disagreement with all predictions is observed in smaller subregions of the plane, and with a subset of the predictions across the fiducial plane. The measurement could be used to improve the tuning of Monte Carlo generators, for better modelling of hadronic decays of heavy quarks and bosons, or to improve the performance of jet taggers.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 검출기를 이용해 탑 쿼크 및 W 보손의 하드론 붕괴에서 룬드 제트 평면(LJP)을 처음으로 측정하기 위해.
• 고질량, 강하게 빠진 제트 시스템에서의 파르톤 샤워 및 하드론화 역학의 운동학적 특성 탐구하기 위해.
• 몬테카를로 이벤트 생성기의 탑 및 W 보손 제트의 서브구조를 모델링하는 성능 테스트하기 위해.
• 데이터와 시뮬레이션 간의 체계적 격리 발견을 통해 제트 서브구조 모델링 향상하기 위해.
• 생성기 조정 및 제트 태깅 알고리즘 향상에 대한 기준 제공하기 위해.

제안 방법

• LJP는 R = 1.0 인 anti-kₜ 제트에서 운동량이 350 GeV 이상인 충전 입자로부터 재구성된다.
• 다른 탑 쿼크의 붕괴 생성물(b 쿼크, 렙톤, 중성미온)을 기반으로 제트를 탑 쿼크 또는 W 보손 기인으로 분류한다.
• 검출기 효과는 언폴딩 기법을 사용해 보정하여 데이터와 몬테카를로 예측 간 비교를 수행한다.
• 청결한 제트 식별을 보장하기 위해 운동학적 및 위상 기준으로 정의된 피드유얼 영역에서 측정을 수행한다.
• 다양한 몬테카를로 생성기들(Powheg-Box, Herwig++, 등)을 사용해 데이터와 비교하며, 각각 파르톤 샤워 및 하드론화의 다른 측면에 민감하다.
• LJP는 anti-kₜ 알고리즘의 클러스터링 역사에서의 프로토-제트의 횡방향 운동량과 각도로부터 구성된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탑 쿼크 및 W 보손 하드론 붕괴에서의 룬드 제트 평면 분포는 몬테카를로 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 LJP 평면의 다양한 영역에서 데이터와 시뮬레이션 간의 격리는 무엇인가?
• RQ3 현재의 파르톤 샤워 및 하드론화 모델은 고질량, 강하게 빠진 제트의 운동학을 얼마나 잘못 기술하는가?
• RQ4 LJP 측정은 몬테카를로 생성기 조정을 위한 민감한 관측량으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 LJP는 탑 및 W 보손 제트의 제트 태깅 알고리즘 성능 향상에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 모든 몬테카를로 예측은 피드유얼 평면 전역에서 W 보손 기인 제트의 측정된 LJP 분포와 불일치한다.
• 탑 쿼크 기인 제트에서는 LJP 평면의 더 작은 부분 영역에서 예측과의 뚜렷한 불일치가 관측되어 국소적 모델 결함을 시사한다.
• 일부 몬테카를로 생성기들은 LJP의 여러 영역에서 일관된 편차를 보이며, 파르톤 샤워 진화 또는 하드론화 모델링의 체계적 결함을 암시한다.
• 측정된 LJP는 고질량 쿼크 및 보손 붕괴의 맥락에서 이벤트 생성기 조정 향상과 테스트를 위한 새로운 고해상도 기준을 제공한다.
• 결과는 LJP가 QCD 역학의 미세한 차이에 민감함을 보이며, 제트 서브구조 및 생성기 검증에 유용한 도구가 됨을 시사한다.
• 데이터는 강하게 빠진 탑 및 W 보손 붕괴에서 파르톤 샤워 복사 및 하드론화의 향상된 모델링이 명백히 필요함을 드러낸다.