[论文解读] Hard color singlet BFKL exchange and gaps between jets at the LHC

Andreas Ekstedt, Rikard Enberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种蒙特卡洛模拟框架，结合BFKL动力学与改进的软色相互作用（SCI）模型，用于描述大型强子对撞机（LHC）上喷注-间隙-喷注事例中硬色单态双胶子交换过程。通过引入一种分辨率受限的SCI模型，减少间隙破坏性软胶子交换，该模型成功再现了CMS实验在喷注横动量全范围内数据，尤其在高$E_T$区域显著改善了与标准SCI模型的偏差，后者因部分子多重性增加而失效。

ABSTRACT

We explore the perturbative QCD dynamics of hard parton-parton scattering through the exchange of a color singlet two-gluon ladder as described by the BFKL equation, resulting in a rapidity gap between two high transverse momentum jets. Implementing this in a complete Monte Carlo event simulation that also accounts for additional QCD processes at softer scales provides dynamical modeling of gap survival probabilities, which makes possible a detailed comparison with data on such jet-gap-jet events. New data from CMS at the LHC extend the dynamic range of the previous Tevatron data, and can be reproduced reasonably well provided that the Soft Color Interaction model is modified based on the idea of reduced resolution power of softer gluon exchanges. This indicates the need for further theoretical developments in connection with other color exchange processes related to rapidity gaps in the hadronic final state.

研究动机与目标

• 建立硬色单态BFKL交换过程的模型，作为LHC高-$p_T$喷注间快速度间隙的来源。
• 通过动态模拟破坏潜在间隙的软QCD效应，解决间隙存活率的挑战。
• 改进标准软色相互作用（SCI）模型，以更准确描述CMS实验获得的高横动量喷注-间隙-喷注数据。
• 为小-$x$ QCD过程中的间隙存活概率提供一种具有现象学可行性和动力学基础的框架。
• 识别当前软胶子交换模型的理论缺陷，并基于软色交换的有限分辨率提出改进方案。

提出的方法

• 求解非前向BFKL方程，计算通过色单态双胶子 ladder 实现的弹性部分子-部分子散射振幅，构成硬过程。
• 将BFKL振幅集成至Pythia 6.4蒙特卡洛事件生成器中，包含部分子辐射、多部分子相互作用及通过吕德弦模型的强子化过程。
• 采用软色相互作用（SCI）模型模拟可能破坏快速度间隙的软胶子交换，其中改进版本引入了部分子簇之间发生色交换的固定概率。
• 改进的SCI模型假设软胶子具有有限分辨率，从而降低有效色荷相互作用，减少在高$E_T$区域的间隙破坏。
• 模拟过程包含与部分子分布函数（PDFs）的卷积，并同时考虑夸克-夸克与胶子-胶子散射的贡献。
• 通过与CMS 7 TeV喷注-间隙-喷注数据对比，验证模型在$\Delta\eta$与$E_{T}$各区间的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于BFKL的硬过程结合动态间隙存活建模，能否再现LHC能量下观测到的喷注-间隙-喷注截面？
• RQ2 为何标准软色相互作用（SCI）模型无法准确描述CMS实验获得的高-$E_T$喷注-间隙-喷注数据？
• RQ3 如何建模软胶子交换的分辨能力，以减少在部分子多重性较高时对间隙破坏的过度估计？
• RQ4 为实现与高-$E_T$ CMS数据的一致性，同时保持在低$E_T$区域的符合度，SCI模型需要进行哪些修改？
• RQ5 基于QCD的、分辨率受限的色交换机制，能否为小-$x$过程中的间隙存活提供更稳健的理论基础？

主要发现

• 标准SCI模型在高喷注横动量区域（$E_T > 100$ GeV）低估了间隙存活率，预测的存活间隙数量少于CMS实验数据。
• 基于软胶子交换有限分辨率的改进SCI模型显著提升了与CMS数据的一致性，尤其在高$E_T$区间表现突出。
• 改进模型通过减少软胶子交换中有效色荷相互作用的数量，提高了高$E_T$区域的存活间隙预测率。
• 该模型在重叠的$E_T$范围内，对$\Delta\eta$与$E_T$依赖性的描述良好，且与费米实验室（Tevatron）数据保持一致，验证了其在不同能量下的自洽性。
• 改进模型的成功支持了物理直觉：软胶子无法分辨单个部分子，导致有效间隙破坏相互作用减少。
• 结果凸显了对软色交换模型进一步理论发展的必要性，尤其是在双色过程与基于QCD的动力学色交换形式化方面。