[논문 리뷰] Determination of the strong coupling constant from transverse energy$-$energy correlations in multijet events at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, B.외 2877명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 13 TeV에서 수집한 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 바탕으로 ATLAS 검출기로 다중제트 사건에서 횡방향 에너지-에너지 상관관계(TEEC)와 그의 원형 대칭성(ATEEC)을 정밀 측정한다. 이는 강한 상호작용 상수 𝛼𝑠를 다음다음최고순서(NNLO) 정확도로 처음으로 추출한 것으로, 𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1175 ± 0.0006 (실험적 오차) +0.0034/−0.0017 (이론적 오차)를 도출하여 고운동량 스케일에서 양자 chromodynamics(QCD)의 엄격한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

Measurements of transverse energy$-$energy correlations and their associated azimuthal asymmetries in multijet events are presented. The analysis is performed using a data sample corresponding to 139 $\mbox{fb\(^{-1}\)}$ of proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurements are presented in bins of the scalar sum of the transverse momenta of the two leading jets and unfolded to particle level. They are then compared to next-to-next-to-leading-order perturbative QCD calculations for the first time, which feature a significant reduction in the theoretical uncertainties estimated using variations of the renormalisation and factorisation scales. The agreement between data and theory is good, thus providing a precision test of QCD at large momentum transfers $Q$. The strong coupling constant $α_s$ is extracted differentially as a function of $Q$, showing a good agreement with the renormalisation group equation and with previous analyses. A simultaneous fit to all transverse energy$-$energy correlation distributions across different kinematic regions yields a value of $α_\mathrm{s}(m_Z) = 0.1175 \pm 0.0006 \mbox{ (exp.)} ^{+0.0034}_{-0.0017} \mbox{ (theo.)}$, while the global fit to the asymmetry distributions yields $α_{\mathrm{s}}(m_Z) = 0.1185 \pm 0.0009 \mbox{ (exp.)} ^{+0.0025}_{-0.0012} \mbox{ (theo.)}$.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 다중제트 사건에서 횡방향 에너지-에너지 상관관계(TEEC)와 그의 원형 대칭성(ATEEC)을 측정하여 고운동량 전달에서 양자장론적 QCD를 시험한다.
• 이론적으로 다음다음최고순서(NNLO) QCD 계산을 사용하여 TEEC와 ATEEC 분포에서 강한 상호작용 상수 𝛼𝑠를 처음으로 추출한다.
• 운동량 영역 전역에 걸쳐 TEEC와 ATEEC 분포를 동시에 피팅하여 이론적 불확실성을 감소시킨 𝛼𝑠(𝑚𝑍)를 결정한다.
• 다른 물리학의 잠재적 영향을 제약하기 위해, 유도된 실행에 따른 𝛼𝑠의 실행 행동을 레이놀즈 군 방정식 예측과 비교하여 검증한다.

제안 방법

• 분석은 LHC에서 ATLAS 검출기로 수집한 √s = 13 TeV에서의 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 횡방향 에너지-에너지 상관관계(TEEC)는 두 번째로 큰 제트의 운동량의 스칼라 합에 따른 영역에 나누어져 측정되며, 베이지안 복원 기법을 사용해 입자 수준으로 복원된다.
• 원형 대칭성(ATEEC)은 TEEC 분포의 전방 및 후방 부분 간의 차이로 추출되어 글루온 방출과 𝛼𝑠에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 이론적 불확실성을 추정하기 위해 데이터를 스케일 변화가 있는 NNLO QCD 계산과 비교하며, 이는 이전의 낮은 순서 계산보다 크게 감소된 불확실성을 제공한다.
• 모든 TEEC 분포에 대한 동시에 수행된 전역 피팅과 별도의 ATEEC 분포 전역 피팅을 통해 실험적 및 이론적 불확실성을 종합한 𝛂𝑠(𝑚𝑍)를 추출한다.
• 재정규화 및 인과 스케일을 변화시켜 이론적 불확실성을 추정하며, 결과는 검출기 효과와 검출기 수준의 편향을 제거하기 위해 복원된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 다중제트 사건에서 TEEC와 ATEEC 측정을 통해 강한 상호작용 상수 𝛼𝑠를 얼마나 정밀하게 추출할 수 있는가?
• RQ2 측정된 TEEC와 ATEEC 분포가 NNLO QCD 예측과 얼마나 일치하는가? 그리고 고차항 보정이 이론적 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 TEEC와 ATEEC 분포에서 추출된 𝛼𝑠(𝑚𝑍) 값이 재정규화 군 방정식에 의한 예측된 실행과 일치하는가?
• RQ4 NNLO 보정을 포함할 경우, 이전의 낮은 순서 계산에 비해 𝛼𝑠 결정의 정밀도는 어떻게 향상되는가?
• RQ5 TEEC와 ATEEC 분포에 대한 전역 피팅이 이론적 불확실성을 감소시키며 일관되고 정밀한 𝛼𝑠(𝑚𝑍) 결정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• TEEC와 ATEEC 분포에서 다음다음최고순서(NNLO) 정확도로 강한 상호작용 상수 𝛼𝑠를 처음으로 추출하였으며, 이로 인해 이론적 불확실성이 크게 감소하였다.
• TEEC 분포에 대한 전역 피팅 결과 𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1175 ± 0.0006 (실험적 오차) +0.0034/−0.0017 (이론적 오차)를 도출하였으며, 이는 재정규화 군 방정식과 뛰어난 일치를 보였다.
• ATEEC 분포에 대한 전역 피팅 결과 𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1185 ± 0.0009 (실험적 오차) +0.0025/−0.0012 (이론적 오차)를 도출하였으며, TEEC 결과와 일치하고 이전 측정치와도 일치하였다.
• 모든 운동량 영역에서 데이터와 NNLO QCD 계산 간의 일치는 뛰어나며, 고운동량 전달에서 이론적 프레임워크의 정밀도를 검증하였다.
• NNLO 보정을 포함함으로써 이론적 불확실성이 크게 감소하여, 이전의 낮은 순서 분석 대비 𝛼𝑠 결정의 정밀도가 향상되었다.
• 결과는 고운동량 스케일에서 QCD의 엄격한 시험을 제공하며, 새로운 색을 가진 입자의 존재를 그들의 잠재적 영향이 𝛼𝑠의 실행에 미치는 영향을 제약함으로써 제약한다.