[論文レビュー] Jet substructure in ATLAS

D. W. Miller|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、$√s} = 7$ TeVの陽子-陽子衝突における、ファットジェットアルゴリズムおよびフィルタリング技術を用いたLHCにおける最初のジェット内部構造測定を提示しており、ジェット質量および$k_t$分割スケールを正確に制御することを示している。モンテカルロモデルの妥当性を検証し、フィルタリングによって積層効果を低減し、ブーストされたトップクォークおよび$W$ボソンの同定にこれらのツールを適用することで、ハドロン最終状態における重い共鳴状態の新しい探索が可能になった。

ABSTRACT

Measurements are presented of the jet invariant mass and substructure in proton-proton collisions at sqrt{s} = 7 TeV with the ATLAS detector using an integrated luminosity of 37 pb-1. These results exercise the tools for distinguishing the signatures of new boosted massive particles in the hadronic final state. Two "fat" jet algorithms are used, along with the filtering jet grooming technique that was pioneered in ATLAS. New jet substructure observables are compared for the first time to data at the LHC. Finally, a sample of candidate boosted top quark events collected in the 2010 data is analyzed in detail for the jet substructure properties of hadronic "top-jets" in the final state. These measurements demonstrate not only our excellent understanding of QCD in a new energy regime but open the path to using complex jet substructure observables in the search for new physics.

研究の動機と目的

• ATLAS検出器のデータを用いて、$√s} = 7$ TeVの陽子-陽子衝突におけるジェット質量および内部構造観測量を測定すること。
• ファットジェットアルゴリズム（anti-$k_t$およびC/A）およびフィルタリング技術が、ブーストされた重い粒子を解像する性能を評価すること。
• ジェット質量スケールの系統的不確実性および積層効果がジェット内部構造観測量に与える影響を評価すること。
• ジェット質量および分割スケール分布について、モンテカルロシミュレーション（PYTHIA、HERWIG++、ALPGEN）をデータと照合して妥当性を検証すること。
• これらのツールを用いて、ハドロン最終状態におけるブーストされたトップクォークおよび$W$ボソン崩壊を同定すること。

提案手法

• $√s} = 7$ TeVの陽子-陽子衝突から、$R = 1.0$のanti-$k_t$および$R = 1.2$のCambridge-Aachen（C/A）ファットジェットアルゴリズムを用いてジェットを再構築する。
• C/Aジェットにおける積層効果の低減を目的に、フィルタリングによるジェットグルーミングを適用する。
• LHCで初めて、$k_t$分割スケール$\sqrt{d_{12}}$を測定し、ジェット内部構造の新たな観測量を提供する。
• 粒子レベルのシミュレーションを用いて検出器効果を補正し、完全な系統的不確実性評価を実施する。
• 妥当性確認のため、ALPGEN + HERWIG++/JIMMY、PYTHIA 6.423、HERWIG++ 2.4の3つのモンテカルロジェネレータをデータと比較する。
• 再クラスタリングを$R = 1.0$で実施し、統合されたトップジェットおよび$W$ジェットを識別し、$p_T$、質量、および分割スケールを識別子として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 anti-$k_t$およびC/Aファットジェットアルゴリズムは、$√s} = 7$ TeV環境下で、ジェット質量および内部構造をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ2 フィルタリングは、C/Aジェットのジェット質量に及ぼす積層効果をどの程度低減するか？
• RQ3 モンテカルロシミュレーションは、ジェット質量および$k_t$分割スケール（$\sqrt{d_{12}}$）分布をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 内部構造観測量は、データにおいてブーストされたハドロン的トップクォークおよび$W$ボソンを同定できるか？
• RQ5 ジェット質量スケールの不確実性は何か？ また、これは新しい物理探索にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ATLASで初めてジェット質量スケールの不確実性が測定され、共鳴状態探索に影響を及えることが明らかになった。
• LHCで初めて$k_t$分割スケール$\sqrt{d_{12}}$が測定され、データとシミュレーションの間に良好な一致が確認された。
• 2010年のデータにおいて、フィルタリングによりC/Aジェット質量への積層効果が検出不能なレベルまで低減された。これは、高出力環境下での使用の妥当性を裏付けた。
• HERWIG++は観測されたデータよりも高いC/Aジェット質量を予測しており、わずかな不一致が示唆された。一方、PYTHIAおよびALPGEN + HERWIG++は不確実性内での一致を示した。
• $p_T = 327$ GeV、$m_{\text{jet}} = 206$ GeV、$\sqrt{d_{12}} = 110$ GeV、$\sqrt{d_{23}} = 40$ GeVのブーストされたトップクォーク候補イベントが同定され、トップ崩壊と整合的であった。
• フィルタリングを施したC/Aジェット質量分布において、$p_T > 180$ GeV、$\Delta\phi > 1.2$の条件で明確な$W$ボソン質量ピークが観測され、ブーストされたハドロン的$W$崩壊の存在が確認された。