[논문 리뷰] Study on the azimuthal angle correlation between two jets in the top quark pair production

Kaoru Hagiwara, Junya Nakamura|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 48인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 14 TeV LHC에서 토큰 쿼크 쌍 생성 시 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트들 사이의 방위각 상관관계를 분석한다. 여기서는 PYTHIA8의 파arton 샤워와 융합된 트리 수준의 행렬 원소(최대 3개의 파톤까지)를 사용한다. 연구 결과, $t\bar{t}+3$ 파톤 행렬 원소를 포함함으로써 제트 $p_T$ 순서와 빠르기 도메인 컷에 의한 상관관계 손실가 줄어들며, CP 민감도가 있는 관측량의 예측 정확도가 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

An azimuthal angle correlation between the two hardest jets is studied in the ttbar production process at the 14 TeV LHC. The event samples are generated by merging the tree level matrix elements for the ttbar plus up to 2 or 3 partons with parton showers. The generated event samples show a strong correlation in the azimuthal angle difference between the two hardest jets, as predicted in the analysis based on the tree level matrix elements for the ttbar+2 partons. The effects of merging the matrix elements for the ttbar+3 partons on the correlation are studied in detail. It is found that they play important roles in improving the prediction of the correlation.

연구 동기 및 목표

• QCD 고차항 보정이 적용된 상황에서 $t\bar{t}$ 생성 시 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트들 사이의 방위각 상관관계의 견고성 평가
• $t\bar{t}+3$ 파톤 행렬 원소 융합이 $t\bar{t}+2$ 파톤과 비교해 방위각 상관관계 예측 정확도에 미치는 영향 평가
• 다중 제트 샘플에서 낮은 파톤 상태의 오염을 억제하는 새로운 트리 수준 융합 알고리즘 개발 및 테스트
• 톱 쿼크 붕괴가 방위각 상관관계 관측량에 미치는 영향, 특히 b-제트를 제외한 제트들에서 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트를 선택할 경우의 영향 정량화
• $t\bar{t}$ 연관 제트 상관관계를 활용해 실험적 Higgs 보손의 CP 성질 측정을 지원하기 위해 시뮬레이션 도구의 유효성 검증

제안 방법

• 14 TeV LHC에서의 $t\bar{t}$ 생성 이벤트 샘플은 PYTHIA8를 사용해 $t\bar{t}+0$, $t\bar{t}+1$, $t\bar{t}+2$, $t\bar{t}+3$ 파톤의 트리 수준 행렬 원소를 파톤 샤워와 융합하여 생성한다.
• 기존의 CKKW-L과 다름없이 단계 공간 분리 방식을 개선한 새로운 트리 수준 융합 알고리즘을 구현하여, 다중 제트 샘플에서 $t\bar{t}+0,1$ 파톤 상태의 오염을 억제한다.
• 두 번째로 높은 횡방향 운동량을 가진 제트들 사이의 방위각 차이 $\Delta\phi = \phi_1 - \phi_2$ 를 계산하고 분석하여 주요 관측량으로 사용한다.
• 톱 쿼크 붕괴의 영향은 융합된 행렬 원소 이벤트에 직접 $t\bar{t}$ 붕괴 정보를 통합하여 모델링한다.
• 제트 재구성에는 빠르기 컷을 다양하게 적용한 anti-$k_T$ 알고리즘을 사용하여 그 영향을 분석한다.
• 2개 또는 3개의 파톤까지 융합된 이벤트 샘플을 비교하여 고차 파톤 상태의 기여를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표본에 $t\bar{t}+3$ 파톤 행렬 원소를 포함할 경우, 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트들 사이의 방위각 상관관계 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 융합된 이벤트 샘플에서 $t\bar{t}+0,1$ 파톤 행렬 원소의 오염이 $\Delta\phi$ 분포에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ3 제트 $p_T$ 순서와 빠르기 컷은 $t\bar{t}+2$ 파톤 샘플에서 상관관계 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트들을 b-제트를 제외한 제트들에서 선택할 경우, 톱 쿼크 붕괴가 $\Delta\phi$ 상관관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 새로운 융합 알고리즘이 CKKW-L보다 오염 억제에 더 효과적인가? 이는 상관관계 예측 정확도 향상로 이어지는가?

주요 결과

• $\Delta\phi$ 분포는 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트들 사이에 강한 상관관계를 보이며, 이는 고차항 QCD 보정이 적용된 이후에도 $t\bar{t}+2$ 파톤 트리 수준 행렬 원소의 예측을 확인한다.
• $t\bar{t}+3$ 파톤 행렬 원소를 포함함으로써 $t\bar{t}+2$ 샘플 대비 상관관계 손실가 최대 5–10% 감소한다. 이는 주로 하드 파톤 샤워 제트가 두 하드 파톤을 초월하는 것을 방지하기 때문이다.
• 빠르기 컷이 적용될 경우, $t\bar{t}+2$ 샘플에서 두 하드 제트 중 하나가 제거되면서 상관관계 손실이 크게 증가하지만, $t\bar{t}+3$ 샘플에서는 제3의 하드 제트 존재로 인해 이 손실가 완화된다.
• 새로운 융합 알고리즘은 CKKW-L보다 $t\bar{t}+0,1$ 파톤 상태의 오염 억제에 더 효과적이지만, $\Delta\phi$ 관측량에서는 개선 폭이 크지 않다.
• 두 번째로 높은 운동량을 가진 제트들을 b-제트를 제외한 제트들에서 선택할 경우, $t\bar{t}$ 이중 레프톤 붕괴의 $\Delta\phi$ 에 미치는 영향은 작다.
• $t\bar{t}+3$ 파톤 행렬 원소는 특히 엄격한 빠르기 컷 조건 하에서 방위각 상관관계를 정확히 예측하는 데 핵심적인 역할을 하며, CP 민감도가 있는 Higgs 보손 측정에서 이론적 불확실성을 줄이는 데 필수적이다.