[論文レビュー] Multi-jet physics at high-energy colliders and TMD parton evolution

A. Bermúdez Martínez, F. Hautmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー衝突実験における理論的不確実性を低減するために、横運動量依存（TMD）部分素粒子分布の進化を組み込んだ、TMDマージングと呼ばれる新規なマルチジェットマージングフレームワークを提案する。初期状態の横運動量広がりをTMD部分素粒子分岐によってモデル化することで、LHCにおけるZボソン＋ジェット生成におけるジェット多重度および$p_T$スペクトルの記述が向上し、マージングスケールの変動に起因する系統的不確実性が2%未塔にまで低下する。これは、標準的な共線マージング手法と比較して顕著に低い値である。

ABSTRACT

We discuss implications of the evolution of transverse momentum dependent (TMD) parton distributions on the structure of multi-jet states at high energies. In particular we analyze the theoretical systematics associated with multi-jet merging. We introduce a new merging methodology incorporating TMDs, illustrate its main features and present a comparison of our theoretical results with experimental measurements for Z-boson + jets production at the Large Hadron Collider (LHC).

研究の動機と目的

• 現在の共線シャワーに基づく手法におけるマージングスケールに敏感な理論的系縁の問題を解決すること。
• 初期状態の$k_T$広がりがソフトおよび共線発光を生成する役割を含め、TMD部分素粒子進化がジェット生成に与える影響を調査すること。
• 初期状態にTMD進化を組み込んだ、非共線的かつ高多重ジェット最終状態をよりよく記述できる新しいマージング手法「TMDマージング」を構築・検証すること。
• LHCにおけるZボソン＋ジェット生成について、実験データとTMDマージングの予測を比較し、特にジェット多重度および$p_T$分布に注目すること。
• TMD進化による行列要素と部分素粒子シャワー記述のマッチング改善が、理論的不確実性にどの程度低減効果をもたらすかを定量すること。

提案手法

• TMD進化の部分素粒子分岐（PB）形式に基づくTMDマージングフレームワークを提案し、マージングのMLM規定を横運動量反動効果を含むように拡張する。
• 積分TMD分布$a_j(x, \bm{k}^2, \bm{\nu}^2)$を用いて、初期状態の部分素粒子がジェットの$p_T$より大きな横運動量$k_T$を獲得する確率を定量化する。これは$R_j(x, \bm{k}^2, \bm{\nu}^2) = a_j(x, \bm{k}^2, \bm{\nu}^2)/a_j(x, 0, \bm{\nu}^2)$で定義される。
• LHCにおけるZボソン＋ジェット生成にTMDマージングアルゴリズムを適用し、xFitterを用いてDISデータにフィットしたPB TMDセット2を用いる。
• マージングスケールを23 GeVに設定し、ATLASおよびCMSの実験データと比較する。微分分布として$\phi^*$、DJR $d_{01}$、および先頭ジェットの$p_T$を含む。
• マージングスケールを20 GeVから30 GeVの範囲で変化させ、系統的不確実性を評価。デフォルト予測からの局所的変動が10%未塔であることを観測。
• 同一の設定下でTMDマージングと標準的な共線マージング（Pythia 6）を比較し、高多重ジェット$p_T$スペクトルにおける改善を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TMD部分素粒子進化は、特にジェット多重度および横運動量スペクトルの観点から、高エネルギーにおけるマルチジェット最終状態の構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 マージングアルゴリズムにTMD進化を組み込むことで、マージングスケールに関連する理論的不確実性はどの程度低減されるか？
• RQ3 TMDマージングは、行列要素計算における最大部分素粒子多重度を超える高次の非共線発光を、よりよく記述できるか？
• RQ4 Zボソン＋ジェット生成において、微分ジェット率および$p_T$スペクトルについて、TMDマージングと標準的な共線マージングの間で、どのように差が現れるか？
• RQ5 初期状態の$k_T$広がりは、マージングスケールの変動に敏感なソフトまたは共線ジェットの生成確率に、どの程度の影響を与えるか？

主な発見

• TMDマージング手法により、マージングスケールの変動に起因する系統的不確実性が、ジェット多重度率において2%未塔にまで低下した。これは、標準的な共線マージングと比較して約10%の低下である。
• LHCにおけるZボソン＋ジェット生成において、TMDマージングの予測は、3ジェット行列要素の上限を超えるジェット多重度まで、実験データと非常に良好に一致している。
• 特に高多重ジェット最終状態では、高次のシャワー発光が重要となるため、TMDマージングでは先頭ジェットの$p_T$分布が共線マージングと比較して顕著に改善されている。
• レプトン対の$\phi^*$分布およびDJR $d_{01}$微分分布では、マージングスケールを23 GeVから20または30 GeVに変更しても、変動が10%未塔にとどまり、高いロバスト性を示している。
• TMD進化により、$\mu = 100$ GeVにおける初期状態部分素粒子が横運動量$k_T > 20$ GeVを獲得する確率が増加し、高$k_T$テイルからの寄与が30%に達する。これはジェット生成に顕著な影響を与えていることが示された。
• 本研究では、TMD分布による横運動量反動のモデル化が、行列要素と部分素粒子シャワー重みの不一致を低減し、理論的系縁を低減することを確認した。