[論文レビュー] On the application of 'photon+jet' events for setting the absolute jet energy scale and determining the gluon distribution at the LHC

D. V. Bandurin, V. Konoplyanikov+1 more|ArXiv.org|Jul 9, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、LHCにおける陽子-陽子衝突における'フォトン＋ジェット'イベントを用いて、絶対的ジェットエネルギースケールの校正と陽子内のグルーオン分布の探査を行う手法を提案する。高運動量のフォトンと180°±15°の背中合わせのジェットを持つイベントを分析することで、データ駆動型手法とモンテカルロシミュレーションを用い、ジェットエネルギー補正を抽出し、グルーオンパートン分布関数を制約する。3 fb⁻¹の積分流量において、QCD予測の期待値と整合する精度が達成された。

ABSTRACT

We study the impact of new set of cuts, proposed in our previous works, on the improvement of accuracy of the jet energy calibration with 'p p ->photon+Jet+X' process at LHC. Monte Carlo events produced by the PYTHIA 5.7 generator are used for this aim. The selection criteria for 'photon+jet' event samples that would provide a good balance of photon Pt with jet Pt and would allow to reduce the background are described. The distributions of these events over photon Pt and jet pseudorapidity are presented. The features of 'photon+jet' events in the barrel region of the CMS detector (|eta^{jet}| < 1.4) are exposed. The efficiency of the cuts used for background suppression is demonstrated. It is shown that the samples of 'photon+jet' events, gained with the cuts for the jet energy calibration, may have enough statistics for determining the gluon distribution inside a proton in the region of x > 2*10^{-4} and of Q^2 by two orders higher than that studied at HERA.

研究の動機と目的

• LHCにおける陽子-陽子衝突における孤立フォトン＋ジェット最終状態を用いて、絶対的ジェットエネルギースケールを設定するデータ駆動型手法の開発。
• 高pTフォトンとジェット間の角度相関を分析することにより、グルーオンパートン分布関数（PDF）の制約を求める。
• 異なるジェット再構成アルゴリズム（UA1およびLUCELL）におけるフォトン＋ジェットトポロジーを用いたジェットエネルギー校正の性能を検証する。
• 現実的なシミュレーションとイベント選択基準を用いて、ジェットエネルギースケールおよびグルーオンPDF抽出における系統的不確実性を評価する。
• 3 fb⁻¹の積分流量を用いて、ジェットエネルギー補正の高精度測定およびグルーオンPDF感受度の評価を提供する。

提案手法

• 高横断運動量フォトン（40–360 GeV/c）と180°±15°の背中合わせのジェットを持つイベントを選択し、ジェットエネルギー校正に適した明確なシグネチャーを確保する。
• フォトンの既知の運動量を基準として、モンテカルロシミュレーションからの真のpT^jetと再構成されたジェット横断運動量（pT^jet）を比較することで、ジェットエネルギースケールを決定する。
• UA1およびLUCELLのジェット再構成アルゴリズムを適用し、ジェットエネルギー応答およびエネルギー分解能における系統的差を評価する。
• ライトクォーク、 charm クォーク、 bottom クォークのジェット寄与は、モンテカルロシミュレーションおよびイベントごとのタギング技術を用いて推定する。
• グルーオンPDF制約の代理として、観測されたジェットエネルギー補正と期待される補正の比（R^jet_gc）をフォトンpTおよびジェットpTの関数として抽出する。
• ジェットエネルギー補正、欠落横断運動量（pT^miss）、およびジェット内にミューオンが誤って識別される確率（R_event^μ∈Jet）の変動を用いて、系統的不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 180°におけるフォトン＋ジェットイベントは、LHCにおける絶対的ジェットエネルギースケールの校正を、堅牢かつ高精度で行えるか？
• RQ2 ジェットエネルギースケールの校正は、陽子内のグルーオンパートン分布関数にどの程度制約を加えるか？
• RQ3 異なるジェット再構成アルゴリズム（UA1対LUCELL）は、ジェットエネルギースケールの精度およびグルーオンPDF抽出にどのような影響を及えるか？
• RQ4 この手法によるジェットエネルギースケール測定における主要な系統的不確実性は何か、特に誤って識別されたジェットおよび欠落横断運動量に起因するものか？
• RQ5 フォトンの横断運動量およびジェットpTのしきい値に応じて、グルーオンPDFに対する感受度はどのように変化するか？

主な発見

• すべてのフォトンpT範囲において、ジェットエネルギースケール補正（pT^Jet - pT^jet）は0.13–0.17 GeV/cの範囲に収まっており、ジェットエネルギー校正の高精度を示している。
• 高フォトンpT（100–360 GeV/c）において、R^jet_gc（グルーオン対補正ジェット）は約0.65であり、QCDの予測と整合的で、ジェットエネルギー応答の良好な制御を示している。
• ニュートリノまたはミューオンがジェットとして誤って識別されるイベントの割合（R_event^ν∈JetおよびR_event^μ∈Jet）はそれぞれ3.3%および1.8%であり、pT^clust_cutに依存が小さいことから、選択の堅牢性が確認された。
• 高フォトンpT（300–360 GeV/c）において、観測されたイベント数（Entries）はUA1で46,297、LUCELLで43,320であり、29sub/all比はそれぞれ0.84および0.83であった。これは高いシグナル純度を示している。
• すべての選択において欠落横断運動量（pT^miss）は約5.5 GeV/cであったが、ニュートリノがジェットに再構成された場合（pT^miss_ν∈Jet ≈ 24–33 GeV/c）、顕著に増加しており、未検出エネルギーの存在を確認している。
• ボトムクォークジェットのイベント数（Nevent_(b)）は小さい（例：300–360 GeV/cで1–25）が、選択トポロジーにおけるグルーオン発起過程の優勢さのおかげで、この方法は高pT領域においてもグルーオンPDFに感受性を示し続ける。