[논문 리뷰] Multidifferential study of identified charged hadron distributions in $Z$-tagged jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=$13 TeV

Aaij, R., Abdelmotteleb, A. S. W.외 1039명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험을 이용해 √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 Z-태그된 제트에서의 특정된 충전 쿼르크 하드론 분열을 위한 최초의 다중미분 측정을 제시한다. 편향된 운동량 분수(z), 제트 축에 대한 횡방향 운동량(jT), 제트의 운동량(pT,jet)에 대한 삼중미분 분포를 π, K, p에 대해 보고하며, 횡운동량 의존성 분열 함수에 대한 새로운 제약 조건을 제공하고 쿼크 및 글루온으로 시작되는 제트의 하드론화 메커니즘에 대한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Jet fragmentation functions are measured for the first time in proton-proton collisions for charged pions, kaons, and protons within jets recoiling against a $Z$ boson. The charged-hadron distributions are studied longitudinally and transversely to the jet direction for jets with transverse momentum 20 $< p_{ extrm{T}} < 100$ GeV and in the pseudorapidity range $2.5 < η< 4$. The data sample was collected with the LHCb experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 1.64 fb$^{-1}$. Triple differential distributions as a function of the hadron longitudinal momentum fraction, hadron transverse momentum, and jet transverse momentum are also measured for the first time. This helps constrain transverse-momentum-dependent fragmentation functions. Differences in the shapes and magnitudes of the measured distributions for the different hadron species provide insights into the hadronization process for jets predominantly initiated by light quarks.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 Z-태그된 제트 내의 특정된 충전 하드론(π, K, p)에 대한 제트 분열 함수(JFFs)를 측정하기 위해.
• z, jT, 제트 pT에 대한 삼중미분 분포를 측정하여 횡운동량 의존성(TMD) 분열 함수에 접근하기 위해.
• 경량 쿼크로 시작되는 제트에서의 하드론화 패턴의 차이를 연구하여 하드론화 메커니즘을 탐색하기 위해.
• 고정밀도 LHCb 데이터와 뛰어난 입자 식별 능력을 활용해 QCD 내의 파arton 분열에 대한 현상학적 모델에 대한 새로운 실험적 제약 조건을 제공하기 위해.
• 고에너지 proton-proton 충돌에서 파르톤 자유도와 관측된 하드론 최종 상태 사이의 관계를 이해하는 데 기여하기 위해.

제안 방법

• LHCb 실험에서 수집한 1.64 fb⁻¹의 통합 루미너스를 바탕으로 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서의 Z+제트 이벤트를 이용한다.
• 역학적 조건: 제트 pT는 20–100 GeV, η는 2.5–4.0이며, 이중 뮤온 붕괴에서 유래한 Z 보손 후보(60 < Mμμ < 120 GeV)를 포함한다.
• 제트 재구성에 대해 반-지그재그 알고리즘(R = 0.5)을 사용하고, 하드론과 제트 축 사이의 ∆R < 0.5 조건을 만족하는 경우에만 제트에 할당한다.
• 2–100 GeV 범위 내에서 π, K, p를 식별하기 위해 두 개의 RICH 검출기를 사용한다(C4F10 및 CF4 레이저).
• TMD JFF를 f(z, jT) = (dσ/dPS dz djT) / (dσ/dPS)로 정의하며, 여기서 z = (phad · pjet)/|pjet|² 이고 jT = |phad × pjet|/|pjet|이다.
• Monte Carlo 시뮬레이션(Pythia 8, EvtGen, Geant4)을 사용해 검출기 효과를 복원하고, 진짜 하드론 분포를 추출하기 위해 보정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z-태그된 제트 내에서 특정된 π, K, p의 종방향 운동량 분수 분포(z)는 어떻게 다를까?
• RQ2 경량 쿼크로 시작되는 제트에서 다양한 하드론 종류에 대해 분열의 횡운동량(jT) 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ3 z, jT, 제트 pT에 대한 삼중미분 분포는 횡운동량 의존성(TMD) 분열 함수를 어떻게 제약하는가?
• RQ4 다른 하드론 종류 간의 형상 및 크기의 차이는 쿼크로 시작되는 제트에서의 하드론화 과정에 대해 어떤 정보를 제공하는가?
• RQ5 측정된 JFFs가 QCD 내의 현상학적 분열 모델에 대해 얼마나 더 강력한 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 이 연구는 13 TeV에서 Z-태그된 제트 내의 특정된 충전 하드론에 대해 삼중미분 분열 함수 f(z, jT, pT,jet)를 측정한 최초의 연구이다.
• 측정된 JFFs는 π, K, p 간에 형상 및 크기의 명확한 차이를 보이며, 서로 다른 하드론 종류에 대해 다른 분열 역학을 시사한다.
• π, K, p에 대한 TMD JFFs는 서로 다른 jT 의존성을 보이며, π에 비해 프로톤이 더 딱딱한 횡운동량 스펙트럼을 보인다.
• 데이터는 경량 쿼크의 TMD 분열 함수를 제약하며, 특히 쿼크로 시작되는 제트가 지배하는 후행 영역(2.5 < η < 4.0)에서 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 이 결과는 몬테카를로 시뮬레이터의 캘리브레이션 향상과 양자 색역학 프레임워크 내 하드론화의 기술적 기술 향상에 새로운 실험적 입력을 제공한다.
• 분석 결과는 LHCb에서 Z-태그된 제트가 주로 경량 쿼크에 의해 시작됨(qg → Zq)을 확인하며, 쿼크 TMD 분열 함수에 깔끔하게 접근할 수 있음을 시사한다.