[논문 리뷰] Parton Radiation and Fragmentation from LHC to FCC-ee

D. d’Enterria, Peter Skands외 54명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 parton 방출과 분열에 대한 이론적 및 실험적 진전을 종합적으로 다루며, FCC-ee에서 향후 $e^+e^-$ 측정에 초점을 맞춘다. 다중-ab$^{-1}$ 루미너스를 통해 최대 $10^{12}$개의 Z 및 W 붕괴 조각을 얻을 수 있으며, 분열 함수, 제트 하위구조, 헤비 쿼크 제트, 비임계 QCD 효과에 대한 사상 이상의 정밀도로 연구할 수 있다. 이는 색 재결합과 강입자화 메커니즘을 포함한 QCD 역학의 고통수 통계적 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This document collects the proceedings of the "Parton Radiation and Fragmentation from LHC to FCC-ee" workshop (http://indico.cern.ch/e/ee\_jets16) held at CERN in Nov. 2016. The writeup reviews the latest theoretical and experimental developments on parton radiation and parton-hadron fragmentation studies --including analyses of LEP, B-factories, and LHC data-- with a focus on the future perspectives reacheable in $e^+e^-$ measurements at the Future Circular Collider (FCC-ee), with multi-ab$^{-1}$ integrated luminosities yielding 10$^{12}$ and 10$^{8}$ jets from Z and W bosons decays as well as 10$^5$ gluon jets from Higgs boson decays. The main topics discussed are: (i) parton radiation and parton-to-hadron fragmentation functions (splitting functions at NNLO, small-$z$ NNLL resummations, global FF fits including Monte Carlo (MC) and neural-network analyses of the latest Belle/BaBar high-precision data, parton shower MC generators), (ii) jet properties (quark-gluon discrimination, $e^+e^-$ event shapes and multi-jet rates at NNLO+N$^{n}$LL, jet broadening and angularities, jet substructure at small-radius, jet charge determination, $e^+e^-$ jet reconstruction algorithms), (iii) heavy-quark jets (dead cone effect, charm-bottom separation, gluon-to-$b\bar{b}$ splitting), and (iv) non-perturbative QCD phenomena (colour reconnection, baryon and strangeness production, Bose-Einstein and Fermi-Dirac final-state correlations, colour string dynamics: spin effects, helix hadronization).

연구 동기 및 목표

• LEP, B-팩토리, LHC를 아우르는 parton 방출 및 분열 분야에서 최신 이론적 및 실험적 발전을 통합한다.
• FCC-ee가 다중-ab$^{-1}$ $e^+e^-$ 데이터를 제공할 잠재력을 평가하여, $10^{12}$개의 Z/W 붕괴 제트와 $10^5$개의 힉스-글루온 제트를 얻어 정밀 QCD 연구를 가능하게 한다.
• 색 재결합, 바리온 및 스트랭제닝 생성, 강입자화 역학과 같은 비임계 QCD 분야의 핵심 열린 질문을 규명한다.
• 정밀한 $e^+e^-$ 측정이 분열 함수, 제트 하위구조, 헤비 쿼크 제트 특성에 미치는 영향을 평가한다.
• FCC-ee에서 고다중도 $e^+e^-$ 사건을 통해 스칼라론 또는 인스탄턴 효과와 같은 이례적인 비임계 현상을 탐색할 수 있는 가능성 탐색.

제안 방법

• 작은-$z$ 분열에서 NNLO 분열 함수와 NNLL 재결합을 조합하여 이론 정밀도를 향상시킨다.
• Belle/BaBar 데이터를 활용한 분열 함수의 글로벌 피팅을 수행하며, 몬테카를로 기법과 신경망 기법을 모두 통합한다.
• 소형 반경에서의 $e^+e^-$ 이벤트 형상, 제트 확산, 각도량, 제트 하위구조를 NNLO+NLL 계산을 통해 분석한다.
• 고급 $e^+e^{-}$ 제트 재구성 알고리즘을 활용해 쿼크-글루온 식별 및 제트 전하 측정을 조사한다.
• 헤비 쿼크 제트 생성에서의 데드 콘 효과 및 글루온-에서-$b\bar{b}$ 분열을 연구한다.
• 색 끈 모델에서의 색 재결합, 보즈-아인슈타인 및 페르미-디랙 상관관계, 나선형 강입자화와 같은 비임계 효과를 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FCC-ee에서의 고정밀 $e^+e^{-}$ 측정을 통해 분열 함수 및 파트온 쇼어 모델에 대한 제약을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 FCC-ee 데이터는 $W$ 및 $Z$ 붕괴에서 색 재결합의 역할을 $WW$ 및 $t\bar{t}$ 최종 상태에서 얼마나 정밀하게 규명할 수 있는가?
• RQ3 FCC-ee에서 고다중도 $e^+e^{-}$ 사건을 통해 QCD 진공의 위상에서 스칼라론 또는 인스탄턴의 잔여 흔적을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 다양한 이벤트 특성, 예를 들어 다중도 및 활성도가 강입자화 과정에서 스트랭제닝 및 바리온 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 부드러운 물리($|p| < \Lambda_{\text{QCD}}$)가 분열 및 제트 하위구조에 미치는 영향은 무엇이며, FCC-ee를 통해 어떻게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• FCC-ee는 Z 및 W 붕괴에서 최대 $10^{12}$개의 제트와 힉스 붕괴에서 $10^5$개의 글루온 제트를 생성할 것으로 예측되며, 이는 사상 이상의 통계 정밀도를 가능하게 한다.
• ALICE의 고다중도 이벤트에서의 $\Omega$ 바리온 증폭 측정 결과는 현재 이벤트 생성기에서 제트의 보편성 붕괴를 시사하며, 새로운 모델이 필요함을 시사한다.
• 색 재결합 효과는 LEP에서 99.5% 신뢰수준으로 확인되었지만, FCC-ee는 반반열성 $WW$ 붕괴를 이용해 $M_W$를 추출하고, 이후 전적으로 강입자 붕괴에서 색 재결합을 미세하게 제약할 수 있다.
• LEP에서 $p_K \sim 250$ MeV까지의 부드러운 입자 스펙트럼 측정은 전례를 제공하며, FCC-ee는 더 낮은 운동량에서 더 높은 정밀도로 이를 연장할 수 있다.
• 이벤트 활성도에 따른 스트랭제닝 및 바리온 생성 비율은 비보편적 행동을 보이며, 강입자화 과정에서 양자수 보존의 국소성 위반을 시사한다.
• FCC-ee에서 고통수 $e^+e^{-}$ 데이터는 QCD 진공 위상에서 스칼라론 또는 인스탄턴의 잔여 흔적을 처음으로 실험적으로 탐색할 수 있을 것이다.