[논문 리뷰] Multiple Parton Interactions Studies at CMS

P. Bartalini, L. Fanò|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 √s = 0.9 및 7 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 다중 파트온 상호작용(MPI)의 초기 CMS 측정 결과를 제시하며, 주로 충돌의 전단면에서의 충전 입자 수와 횡방향 영역의 에너지 밀도를 사용하여 기본 이벤트(UE)에 초점을 맞춘다. UE 감도를 향상시키기 위해 제안된 제트-영역/중앙값 방법을 도입하고, 3-jet + γ와 같은 고-pT 위상도를 통한 직접적인 MPI 비율 측정 전략을 제안하며, 이는 아작수각 관측량 Δφ(−)와 Δφ(+)를 사용하여 강력한 분류 능력을 보인다.

ABSTRACT

This paper summarizes the Multiple Parton Interactions studies in CMS, focusing on the already performed low pT QCD measurements up to highest centre of mass energies of 7 TeV and discussing the plans for the direct measurement of the multiple high-pT scatterings. The underlying event in pp interactions is studied measuring the charged multiplicity density and the charged energy density in the transverse region, which is defined considering the azimuthal distance of the reconstructed tracks with respect to the leading track-jet of the event, defined from tracks according to a jet clustering algorithms. In addition, we present the measurement of the underlying event using the jet-area/median approach, demonstrating its sensitivity to different underlying event scenarios. Observations in the central region are complemented by the mea- surement of the energy flow in the forward direction for minimum bias and central di-jet events. We compare our underlying event and forward results with the predictions from different Monte Carlo event generators and tunes, aiming to best parametrize the multiple parton interaction energy de- pendence starting from the Monte Carlo tunes developed to best fit the charged particle spectra measured at central rapidities. Finally we discuss the strategy to directly measure the multiple particle interactions rate focusing on the topologies with two hard scatterings in the same event.

연구 동기 및 목표

• 고중심질량 에너지(최대 7 TeV)에서의 양성자-양성자 충돌에서 다중 파트온 상호작용(MPI)을 이해하기 위해 기본 이벤트(UE) 활동을 측정하는 것.
• 다양한 MPI 시나리오에 대한 민감도를 향상시킨 UE 역학 측정을 위한 제트-영역/중앙값 방법의 유효성을 검증하는 것.
• 최소 충격 사건과 중심부 이중 제트 사건에서의 에너지 흐름을 활용하여 UE 측정을 전방 영역으로 확장하는 것.
• 고-pT 최종 상태에서 이중 파트온 산란(DPS)의 직접 측정 전략을 개발하는 것으로, 특히 3-jet + γ 위상도에 초점을 맞추는 것.
• MPI 에너지 의존성과 MPI 강도 및 횡방향 운동량 截단치를 제어하는 파rameter를 더 잘 기술하기 위해 데이터를 사용해 몽테카를로 이벤트 생성기(PYTHIA, HERWIG)를 校정하는 것.

제안 방법

• SisCone 제트 클러스터링을 사용하여 주도 트랙-제트에 대해 60° < |Δφ| < 120° 영역에서의 충전 입자 수와 횡방향 운동량의 스칼라 합(ΣpT)을 측정한다.
• anti-kT 제트를 사용하여 제트-영역/중앙값 방법을 구현하여 전체 위상도-아이피시탈리티 평면에서 UE 활동을 추출하고, MPI 모델에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 베이지안 복원을 적용하여 검출기 효과를 보정하고, PYTHIA-6(tunes Z1, D6T, DW, CW) 및 PYTHIA-8(tune 4C)의 몽테카를로 예측과 비교한다.
• 3-jet + γ 최종 상태를 분석하여 아작수각 관측량 Δφ(−)와 Δφ(+)를 측정함으로써 이중 파트온 산란을 식별한다. 이는 MPI와 이중 브레머스트랄링을 구분하는 데 유용하다.
• HERWIG 2.2.0과 PYTHIA-8.108(기본 및 MPI 온/오프 시나리오)의 예측을 비교하여 Δφ 관측량의 분류 능력을 평가한다.
• 최소 충격 사건과 중심부 이중 제트 사건에서 전방 에너지 흐름 측정을 위해 PHOJET을 사용하여 중심부 UE 연구를 보완한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 0.9 및 7 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 주도 트랙-제트의 횡방향 운동량과 중심질량 에너지에 따라 기본 이벤트 활동이 어떻게 변화하는가?
• RQ2 伝통적인 횡방향 영역 방법에 비해 제트-영역/중앙값 방법은 다양한 기본 이벤트 시나리오에 대해 얼마나 더 민감하게 반응하는가?
• RQ3 최소 충격 사건과 이중 제트 사건에서의 전방 에너지 흐름 측정은 MPI 모델을 제약하는 데 중심부 UE 측정과 어떻게 보완되는가?
• RQ4 3-jet + γ 위상도는 직접적으로 이중 파트온 산란 비율을 측정하는 데 사용될 수 있으며, Δφ(−)와 Δφ(+) 관측량의 분류 능력은 어떠한가?
• RQ5 PYTHIA Z1, 4C, HERWIG 등의 몽테카를로 튜닝 중 어떤 것이 관측된 UE 및 전방 에너지 흐름 데이터를 가장 잘 기술하는가? 그리고 MPI 에너지 의존성은 어떻게 제약을 받는가?

주요 결과

• 주도 트랙-제트의 pT가 증가함에 따라 횡방향 영역에서의 충전 입자 수와 ΣpT가 뚜렷하게 증가하며, √s = 7 TeV에서는 약 8 GeV/c 이상, √s = 0.9 TeV에서는 약 4 GeV/c 이상에서 포화 상태에 도달한다.
• 제트-영역/중앙값 방법은 다양한 기본 이벤트 시나리오에 대해 명확한 민감도를 보이며, 전통적인 횡방향 영역 방법보다 더 포괄적이고 견고한 UE 활동 측정을 가능하게 한다.
• 횡방향 영역에서 정규화된 ΣpT 분포는 더 높은 중심질량 에너지에서 활동성이 뚜렷하게 증가함을 보이며, 7 TeV에서 UE에 하드 성분이 존재함을 시사한다.
• PYTHIA-8.135 Tune 4C와 PYTHIA-6 Z1는 7 TeV에서 UE 관측량과 양호한 일치를 보이며, D6T는 UE 활동을 과소평가함으로써 최신 튜닝이 필요함을 시사한다.
• Δφ(+) 관측량은 MPI와 이중 브레머스트랄링 시나리오 사이에 강력한 분류 능력을 보이며, MPI 예측은 균일한 분포를, 이중 브레머스트랄링 예측은 π 근처에 피크를 보인다.
• 3-jet + γ 위상도는 직접적인 이중 파트온 산란 측정에 가능한 채널로 확인되었으며, Δφ(−)와 Δφ(+)에서의 미분 단면적 형태는 QCD 복사에 비해 MPI의 명백한 서명을 제공한다.