[论文解读] Multidifferential study of identified charged hadron distributions in $Z$-tagged jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}=$13 TeV

Aaij, R., Abdelmotteleb, A. S. W.+1039 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本论文首次利用LHCb探测器对√s = 13 TeV质子-质子碰撞中Z-标记喷注内的识别带电强子碎片化进行了多变量测量。研究报告了π介子、K介子和质子在z（纵向动量分数）、jT（相对于喷注轴的横向动量）和喷注pT上的三重微分分布，为横动量依赖的碎片化函数（TMD fragmentation functions）提供了新的约束，并深化了对夸克与胶子初态喷注中强子化机制的理解。

ABSTRACT

Jet fragmentation functions are measured for the first time in proton-proton collisions for charged pions, kaons, and protons within jets recoiling against a $Z$ boson. The charged-hadron distributions are studied longitudinally and transversely to the jet direction for jets with transverse momentum 20 $< p_{ extrm{T}} < 100$ GeV and in the pseudorapidity range $2.5 < η< 4$. The data sample was collected with the LHCb experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 1.64 fb$^{-1}$. Triple differential distributions as a function of the hadron longitudinal momentum fraction, hadron transverse momentum, and jet transverse momentum are also measured for the first time. This helps constrain transverse-momentum-dependent fragmentation functions. Differences in the shapes and magnitudes of the measured distributions for the different hadron species provide insights into the hadronization process for jets predominantly initiated by light quarks.

研究动机与目标

• 测量√s = 13 TeV下Z-标记喷注中识别带电强子（π介子、K介子、质子）的喷注碎片化函数（JFFs）。
• 通过测量z、jT和喷注pT的三重微分分布，获取横动量依赖（TMD）碎片化函数。
• 研究不同强子种类在碎片化模式上的差异，以探究轻夸克初态喷注中的强子化机制。
• 利用高精度LHCb数据与优异的粒子识别能力，为QCD中部分子碎片化现象学模型提供新的实验约束。
• 增进对高能质子-质子碰撞中部分子自由度与观测到的强子末态之间关系的理解。

提出的方法

• 利用LHCb实验在√s = 13 TeV下收集的1.64 fb⁻¹积分亮度，分析pp碰撞中的Z+喷注事例。
• 应用物理截取条件：喷注pT为20–100 GeV，η为2.5–4.0，Z玻色子候选来自μμ衰变（60 < Mμμ < 120 GeV）。
• 采用反-kT算法（R = 0.5）进行喷注重建，并要求强子与喷注轴之间的∆R < 0.5，以将其分配至对应喷注。
• 利用两个RICH探测器（C4F10和CF4辐射体）实现带电强子识别，以在2–100 GeV范围内区分π介子、K介子和质子。
• 将TMD JFF定义为f(z, jT) = (dσ/dPS dz djT) / (dσ/dPS)，其中z = (phad · pjet)/|pjet|²，jT = |phad × pjet|/|pjet|。
• 通过蒙特卡罗模拟（Pythia 8、EvtGen、Geant4）进行探测器效应展开，并应用修正以提取真实的强子分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Z-标记喷注中，识别π介子、K介子和质子的纵向动量分数分布（z）有何差异？
• RQ2 在轻夸克初态喷注中，不同强子种类的横向动量（jT）依赖关系如何？
• RQ3 z、jT和喷注pT的三重微分分布如何约束横动量依赖（TMD）碎片化函数？
• RQ4 不同强子种类在形状与幅度上的差异揭示了夸克初态喷注中强子化过程的哪些信息？
• RQ5 对识别强子测量的JFF在多大程度上改善了对QCD中现象学碎片化模型的约束？

主要发现

• 这是首次在13 TeV下对Z-标记喷注中识别带电强子的三重微分碎片化函数f(z, jT, pT,jet)进行测量。
• 测量得到的JFF在π介子、K介子和质子之间表现出明显的形状与幅度差异，表明不同强子种类具有不同的碎片化动力学。
• π介子、K介子和质子的TMD JFF表现出不同的jT依赖性，其中质子的横向动量谱比π介子更‘硬’。
• 数据对轻夸克的TMD碎片化函数提供了约束，尤其在前向区域（2.5 < η < 4.0），该区域以夸克初态喷注为主导。
• 结果为校准蒙特卡罗生成器提供了新的实验输入，并有助于改进微扰QCD框架中强子化的描述。
• 该分析证实，LHCb中的Z-标记喷注主要由轻夸克（qg → Zq）产生，从而实现了对夸克TMD碎片化函数的清晰访问。