[논문 리뷰] Double parton scattering in four-jet events in pp collisions at 7 TeV with the ATLAS experiment at the LHC

I. Sadeh|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 139인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 데이터를 이용해 √s = 7 TeV에서의 pp 충돌에서 네 잔여입자 사건에서 이중 파트온 산란(DPS)의 정밀 측정을 제시한다. 이는 새로운 피로드업 보정 기술과 신경망 기반의 사건 선택 기법을 적용한 것이다. 분석 결과, σeff = 16.0 +0.5−0.8 (통계) +1.9−3.5 (계측오차) mb로 도출되었으며, 이는 이전 측정 결과와 일치하며 고에너지에서의 양자 양극성 이론의 타당성을 엄격하게 검증한다.

ABSTRACT

The dijet double-differential cross section is measured as a function of the dijet invariant mass, using data taken during 2010 and during 2011 with the ATLAS experiment at the LHC, with a center-of-mass energy of 7 TeV. The measurements are sensitive to invariant masses between 70 GeV and 4.27 TeV with center-of-mass jet rapidities up to 3.5. A novel technique to correct jets for pile-up (additional proton-proton collisions) in the 2011 data is developed and subsequently used in the measurement. The data are found to be consistent with fixed-order NLO pQCD predictions provided by NLOJET++. The results constitute a stringent test of pQCD, in an energy regime previously unexplored. The dijet analysis is a confidence building step for the extraction of the signal of hard double parton scattering (DPS) in four-jet events, and subsequent extraction of the effective overlap area between the interacting protons, expressed in terms of the variable, σ(eff). The measurement of DPS is performed using the 2010 ATLAS data. The rate of DPS events is estimated using a neural network. A clear signal is observed, under the assumption that the DPS signal can be represented by a random combination of exclusive dijet production. The fraction of DPS candidate events is determined to be f(DPS) = 0.081 +- 0.004 (stat.) +0.025-0.014 (syst.) in the analyzed phase-space of four-jet topologies. Combined with the measurement of the dijet and four-jet cross sections in the appropriate phase-space regions, the effective cross section is found to be σ(eff) = 16.0 +0.5-0.8 (stat.) +1.9-3.5 (syst.) mb. This result is consistent within the quoted uncertainties with previous measurements of σ(eff) at center-of-mass energies between 63 GeV and 7 TeV, using several final states.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 pp 충돌에서 이중 파트온 산란을 위한 효과적 단면적 σeff 를 측정하는 것.
• 2011년 ATLAS 데이터에 대해 새로운 피로드업 보정 기술을 개발하고 적용하는 것.
• 신경망과 이중잔여입자 질량 일관성 기반으로 네 잔여입자 최종 상태에서 DPS 신호를 추출하는 것.
• 이전에 탐색되지 않은 에너지 영역에서 고정순서 NLO pQCD 예측의 타당성을 검증하는 것.
• 미래의 DPS 및 파트온 겹침 연구를 위한 신뢰성 있는 측정 결과를 제공하는 것.

제안 방법

• 2011년 ATLAS 데이터에 대해 새로운 제트 영역/중위수 피로드업 보정 기법을 개발하고 적용하여 추가적인 양성자-양성자 상호작용으로 인한 에너지 오염을 완화하였다.
• 제트 빠르기까지 |η| = 3.5까지의 70 GeV에서 4.27 TeV까지의 이중잔여입자 진동 질량 분포를 측정하였다.
• 두 개의 독립적인 이중잔여입자 시스템의 무작위 조합과 일관된 사건을 식별하기 위해 신경망을 훈련시켰다.
• 네 잔여입자 위상공간에서 측정된 결과, DPS 비율 fDPS = 0.081 ± 0.004 (통계) +0.025−0.014 (계측오차) 가 도출되었다.
• 동일한 위상공간 내에서 측정된 이중잔여입자 및 네 잔여입자 단면적을 사용하여 효과적 단면적 σeff 를 추출하였다.
• 일致성 검증을 위해 NLOJET++에서 도출된 이론적 예측을 기준으로 삼았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 7 TeV에서 이중 파트온 산란에 대한 효과적 단면적 σeff 는 얼마인가?
• RQ2 고정순서 NLO pQCD 예측은 이 에너지 영역에서 이중잔여입자 및 네 잔여입자 생성을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ3 신경망 기반 방법은 네 잔여입자 최종 상태에서 DPS 기여를 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ4 무작위 이중잔여입자 조합을 가정할 때 네 잔여입자 위상공간에서 DPS 사건의 비율은 얼마인가?
• RQ5 새로운 피로드업 보정 기법은 제트 에너지 해상도 유지 및 편향 감소에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 이중잔여입자 단면적은 12개 주기의 범위에서 높은 정밀도로 측정되었으며, NLOJET++에서 도출된 NLO pQCD 예측과 우수한 일치를 보였다.
• 무작위 이중잔여입자 조합을 가정할 때, 명확한 이중 파트온 산란 신호가 관측되었으며, fDPS = 0.081 ± 0.004 (통계) +0.025−0.014 (계측오차) 로 도출되었다.
• 효과적 단면적은 σeff = 16.0 +0.5−0.8 (통계) +1.9−3.5 (계측오차) mb로 결정되었다.
• 이 결과는 63 GeV에서 7 TeV의 중심질량 에너지 범위에서 여러 최종 상태에 걸쳐 이전의 σeff 측정 결과와 일치한다.
• 새로운 피로드업 보정 기법은 2011년 데이터에서 제트 에너지 해상도를 크게 향상시키고 계측오차를 감소시켰다.
• 이 분석은 향후 고에너지 하드론 충돌에서 파트온 밀도 겹침 및 DPS 연구를 위한 견고한 기반을 제공한다.