[논문 리뷰] On the application of 'photon+jet' events for setting the absolute jet energy scale and determining the gluon distribution at the LHC

D. V. Bandurin, V. Konoplyanikov외 1명|ArXiv.org|2002. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 '광자+제트' 사건을 사용하여 절대 제트 에너지 스케일을 캘리브레이션하고 양성자 내의 글루온 분포를 탐색하는 것을 제안한다. 고운동량 광자와 180°±15° 범위 내에서 배치된 반대 방향 제트를 갖는 사건을 분석함으로써, 데이터 기반 방법과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 제트 에너지 보정을 추출하고 글루온 부분론 분포함수를 제약한다. 이는 3 fb⁻¹ 루미너스에서 양성자-강한 상호작용 이론(QCD) 예측과 일치하는 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

We study the impact of new set of cuts, proposed in our previous works, on the improvement of accuracy of the jet energy calibration with 'p p ->photon+Jet+X' process at LHC. Monte Carlo events produced by the PYTHIA 5.7 generator are used for this aim. The selection criteria for 'photon+jet' event samples that would provide a good balance of photon Pt with jet Pt and would allow to reduce the background are described. The distributions of these events over photon Pt and jet pseudorapidity are presented. The features of 'photon+jet' events in the barrel region of the CMS detector (|eta^{jet}| < 1.4) are exposed. The efficiency of the cuts used for background suppression is demonstrated. It is shown that the samples of 'photon+jet' events, gained with the cuts for the jet energy calibration, may have enough statistics for determining the gluon distribution inside a proton in the region of x > 2*10^{-4} and of Q^2 by two orders higher than that studied at HERA.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 고립된 광자+제트 최종 상태를 사용하여 절대 제트 에너지 스케일을 설정하는 데이터 기반 방법을 개발한다.
• 고운동량 광자와 제트 사이의 각도 상관관계를 분석하여 글루온 부분론 분포함수(PDF)에 대한 제약 조건을 도출한다.
• 다양한 제트 재구성 알고리즘(UA1 및 LUCELL)에서 광자+제트 구조를 사용한 제트 에너지 캘리브레이션 성능을 검증한다.
• 현실적인 시뮬레이션과 이벤트 선택 기준을 사용하여 제트 에너지 스케일 및 글루온 PDF 추출의 체계적 불확실성을 정량화한다.
• 통합 루미너스 3 fb⁻¹를 사용하여 제트 에너지 보정의 정밀 측정 및 글루온 PDF 민감도를 제공한다.

제안 방법

• 고운동량 광자(40–360 GeV/c)와 180°±15° 범위 내에서 반대 방향으로 배열된 제트를 갖는 사건을 선별하여 제트 에너지 캘리브레이션에 적합한 청결한 서명을 확보한다.
• 광자의 알려진 운동량을 기준으로 몬테카를로 시뮬레이션에서의 진짜 pT^jet와 재구성된 제트 운동량(pT^jet)을 비교하여 제트 에너지 스케일을 결정한다.
• UA1 및 LUCELL 제트 재구성 알고리즘을 적용하여 제트 에너지 반응 및 해상도에서의 체계적 차이를 평가한다.
• 경량 쿼크, 쿠르, 바텀 제트의 배경 기여도는 몬테카를로 시뮬레이션과 이벤트 단위 태깅 기법을 사용하여 추정한다.
• 관측된 제트 에너지 보정과 기대되는 보정의 비율(R^jet_gc)을 광자의 pT 및 제트의 pT 함수로 추출하여 글루온 PDF 제약의 대체 지표로 사용한다.
• 제트 에너지 보정, 부족한 횡운동량(pT^miss), 제트로 오인된 레프톤 비율(R_event^μ∈Jet)의 변화를 통해 체계적 불확실성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 180°에서의 광자+제트 사건은 LHC에서 절대 제트 에너지 스케일을 강력하고 정밀하게 캘리브레이션할 수 있는가?
• RQ2 제트 에너지 스케일 캘리브레이션은 양성자 내 글루온 부분론 분포함수에 어느 정도 제약을 가질 수 있는가?
• RQ3 다른 제트 재구성 알고리즘(UA1 대비 LUCELL)은 제트 에너지 스케일 정밀도와 글루온 PDF 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 방법을 사용한 제트 에너지 스케일 측정에서 주요 체계적 불확실성은 무엇이며, 특히 오인된 제트와 부족한 횡운동량에서 기인하는가?
• RQ5 광자의 횡운동량과 제트의 pT 임계값에 따라 글루온 PDF 민감도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 모든 광자 pT 범위에서 제트 에너지 스케일 보정(pT^Jet - pT^jet)은 0.13–0.17 GeV/c 범위 내로 측정되어 제트 에너지 캘리브레이션의 높은 정밀도를 나타낸다.
• 고광자 pT(100–360 GeV/c)에서 비율 R^jet_gc(글루온 대 보정된 제트)는 약 0.65로 측정되었으며, QCD 예측과 일치하여 제트 에너지 반응에 대한 우수한 제어를 나타낸다.
• 중성미소나 뮤온이 제트로 오인된 사건 비율(R_event^ν∈Jet 및 R_event^μ∈Jet)은 각각 3.3% 및 1.8%로 측정되었으며, pT^clust_cut에 대한 의존성이 낮아 선택 조건의 강건성을 확인한다.
• 고광자 pT(300–360 GeV/c)에서 관측된 사건 수(Entries)는 UA1 기준 46,297건, LUCELL 기준 43,320건이며, 29sub/all 비율은 각각 0.84 및 0.83로 나타나 높은 신호 순도를 확인한다.
• 모든 선택 조건에서 부족한 횡운동량(pT^miss)은 약 5.5 GeV/c로 측정되었으며, 중성미소가 제트에 재구성될 경우(pT^miss_ν∈Jet ≈ 24–33 GeV/c)에 크게 증가하여 미검출 에너지 존재를 확인한다.
• 바텀 쿼크 제트를 갖는 사건 수(Nevent_(b))는 작다(예: 300–360 GeV/c 범위에서 1–25건), 그러나 선택된 구조에서 글루온이 주도하는 과정의 우세함으로 인해 고pT 영역에서 글루온 PDF에 민감하게 반응한다.