[논문 리뷰] Measurement of the primary Lund jet plane density in proton-proton collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan외 2375명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 85인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 확보한 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 포함형 제트 생성의 주요 Lund 제트 평면(LJP) 밀도를 정밀 측정한다. 충전 입자 트랙에 대해 반복적인 Cambridge–Aachen 제트 분해를 적용하여, 제트 내의 파르톤 방출의 위상공간을 맵핑하고, ln(kT/GeV) 및 ln(R/∆R)에 대한 평균 방출 밀도를 측정하며, 이는 이벤트 생성기에서 파르톤 쇄 및 하드론화 모델링을 향상시키기 위한 중요한 데이터를 제공한다.

ABSTRACT

A measurement is presented of the primary Lund jet plane (LJP) density in inclusive jet production in proton-proton collisions. The analysis uses 138 fb$^{-1}$ of data collected by the CMS experiment at $\sqrt{s}$ = 13 TeV. The LJP, a representation of the phase space of emissions inside jets, is constructed using iterative jet declustering. The transverse momentum $k_\mathrm{T}$ and the splitting angle $ΔR$ of an emission relative to its emitter are measured at each step of the jet declustering process. The average density of emissions as function of $\ln(k_\mathrm{T}/$GeV) and $\ln(R/ΔR)$ is measured for jets with distance parameters $R$ = 0.4 or 0.8, transverse momentum $p_\mathrm{T}$ $\gt$ 700 GeV, and rapidity $\vert y\vert$ $\lt$ 1.7. The jet substructure is measured using the charged-particle tracks of the jet. The measured distributions, unfolded to the level of stable particles, are compared with theoretical predictions from simulations and with perturbative quantum chromodynamics calculations. Due to the ability of the LJP to factorize physical effects, these measurements can be used to improve different aspects of the physics modeling in event generators.

연구 동기 및 목표

• 고운동량 제트 내 주요 Lund 제트 평면(LJP) 밀도를 측정하여 파르톤 방출의 위상공간을 탐구한다.
• 제트 서브스트럭처에서 파르톤 쇄, 하드론화, 배경 이벤트 활동의 기여를 분리한다.
• LHC 물리학에서 사용되는 몬테카를로 이벤트 생성기의 캘리브레이션 및 검증을 위한 고정밀 데이터를 제공한다.
• 퍼트루바티브 QCD 예측을 테스트하고 시뮬레이션에서 제트 형성 모델링을 향상시킨다.
• LJP 형식을 통해 제트 서브스트럭처에서 물리적 효과를 인과적으로 분리하여 이론적 제어를 향상시킨다.

제안 방법

• 분석은 CMS 실험에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 제트는 R = 0.4 또는 0.8이고 pT > 700 GeV, |y| < 1.7인 Cambridge–Aachen(CA) 알고리즘을 사용하여 재구성한다.
• 반복적인 제트 분해를 CA 클러스터링 이력의 반대로 적용하여, 각 1→2 분열을 더 강한 및 더 약한 하위제트를 통해 추적한다.
• 각 분해 단계에서 분열 각도 ∆R과 더 약한 하위제트의 횡방향 운동량 kT를 ∆R = √(Δy² + Δϕ²) 및 kT = pT,j2 × ∆R를 사용하여 계산한다.
• Lund 제트 평면(LJP)은 ln(kT/GeV) 대 ln(1/∆R)을 플롯하여 구성되며, 각도 순서에 따라 ∆R가 큰 순서에서 작은 순서로 정렬된다.
• 분포는 안정된 충전 입자 수준으로 편향을 제거하고, 퍼트루바티브 QCD 계산 및 몬테카를로 시뮬레이션과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 주요 Lund 제트 평면 내 제트의 파르톤 방출 밀도는 kT 및 ∆R에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 퍼트루바티브 QCD 계산은 측정된 LJP 밀도 분포를 어느 정도 잘 기술하는가?
• RQ3 현재의 몬테카를로 이벤트 생성기는 LJP에서 측정된 제트 서브스트럭처를 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ4 LJP 형식은 파르톤 쇄, 하드론화 및 배경 이벤트 활동의 기여를 효과적으로 분리하는 데 유용한가?
• RQ5 이 고정밀 LJP 측정을 통해 이벤트 생성기 캘리브레이션에 어떤 개선을 가할 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 주요 Lund 제트 평면 밀도는 부드럽고 충실한 비례론적(QCD) 계산(NLL)과 소프트 및 콜라린어 영역에서 양호한 일치를 보인다.
• 작은 kT와 큰 ∆R에서 ln(kT/GeV) 및 ln(1/∆R)에 대해 균일한 분포를 나타내어 QCD 척도 예측과 일치한다.
• 높은 kT와 작은 ∆R에서 불일치가 관측되어 현재의 파르톤 쇄 모델의 한계와 더 나은 누적 또는 행렬원소 매칭이 필요함을 시사한다.
• 데이터는 작은 ∆R과 높은 kT에서 방출이 명백히 억제됨을 보여주며, 이는 하드론화 및 색 체인성과 같은 비퍼트루바티브 효과로 기인한다.
• 측정된 분포는 특히 모델링이 가장 어려운 높은 kT 및 작은 ∆R 영역에서 이벤트 생성기 캘리브레이션에 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 결과는 LJP가 이벤트 생성기 내 제트 물리 모델링의 개별 구성 요소를 분리하고 향상시키는 데 효과적인 인과적 관측량으로서의 유용성을 입증한다.