[論文レビュー] Parton Radiation and Fragmentation from LHC to FCC-ee

D. d’Enterria, Peter Skands+54 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、FCC-eeにおける将来の $e^+e^-$ 測定を焦点に、一部粒子の放射とフラグメンテーションに関する理論的・実験的進展を包括的にレビューしている。$10^{12}$ 個のZおよびW崩壊ジェットと $10^5$ 個のヒッグス崩壊から生じるグルーオンジェットを生み出す多重量子 $\text{ab}^{-1}$ の光度により、フラグメンテーション関数、ジェットのサブ構造、重クォークジェット、非摂動的QCD効果の研究において、前例のない精度が達成可能となる。これにより、色再結合やハドロン化メカニズムを含むQCDダイナミクスの高統計的検証が可能になる。

ABSTRACT

This document collects the proceedings of the "Parton Radiation and Fragmentation from LHC to FCC-ee" workshop (http://indico.cern.ch/e/ee\_jets16) held at CERN in Nov. 2016. The writeup reviews the latest theoretical and experimental developments on parton radiation and parton-hadron fragmentation studies --including analyses of LEP, B-factories, and LHC data-- with a focus on the future perspectives reacheable in $e^+e^-$ measurements at the Future Circular Collider (FCC-ee), with multi-ab$^{-1}$ integrated luminosities yielding 10$^{12}$ and 10$^{8}$ jets from Z and W bosons decays as well as 10$^5$ gluon jets from Higgs boson decays. The main topics discussed are: (i) parton radiation and parton-to-hadron fragmentation functions (splitting functions at NNLO, small-$z$ NNLL resummations, global FF fits including Monte Carlo (MC) and neural-network analyses of the latest Belle/BaBar high-precision data, parton shower MC generators), (ii) jet properties (quark-gluon discrimination, $e^+e^-$ event shapes and multi-jet rates at NNLO+N$^{n}$LL, jet broadening and angularities, jet substructure at small-radius, jet charge determination, $e^+e^-$ jet reconstruction algorithms), (iii) heavy-quark jets (dead cone effect, charm-bottom separation, gluon-to-$b\bar{b}$ splitting), and (iv) non-perturbative QCD phenomena (colour reconnection, baryon and strangeness production, Bose-Einstein and Fermi-Dirac final-state correlations, colour string dynamics: spin effects, helix hadronization).

研究の動機と目的

• LEP、Bファクトリー、LHCを含む、部分粒子の放射とフラグメンテーションにおける最新の理論的および実験的進展を統合すること。
• FCC-eeが多重量子 $\text{ab}^{-1}$ の $e^+e^-$ データを提供する可能性を評価し、$10^{12}$ 個のZ/W崩壊ジェットと $10^5$ 個のヒッグスからグルーオンへの崩壊ジェットを生み出し、高精度QCD研究を可能にすること。
• 色再結合、バリオンおよびストレンジネス生成、ハドロン化ダイナミクスを含む、非摂動的QCDにおける主要な未解決問題を特定すること。
• 高精度 $e^+e^-$ 測定がフラグメンテーション関数、ジェットサブ構造、重クォークジェットの性質を制約する役割を評価すること。
• FCC-eeにおける高多重度 $e^+e^-$ イベントを用いて、スファラロンやインスタントン効果といった奇妙な非摂動的現象をプローブする可能性を検討すること。

提案手法

• 小$z$フラグメンテーションにおけるNNLO分割関数とNNLL再結合を組み合わせ、理論的精度を向上させる。
• Belle/BaBarデータを用いたフラグメンテーション関数のグローバルフィットを実施し、モンテカルロ法とニューラルネットワーク手法を併用する。
• 小半径でのジェットサブ構造、イベント形状、ジェット幅、角運動量の分析にNNLO+NLL計算を適用する。
• 高度な $e^+e^{-}$ ジェット再構成アルゴリズムを用いて、クォーク-グルーオン識別とジェット電荷の決定を検討する。
• 重クォークジェット生成におけるデッドコーン効果とグルーオンから $b\bar{b}$ への分裂を調査する。
• 色ストリングモデルにおける色再結合、ボーズ＝アインシュタインおよびフェルミ＝ディラック相関、ヘリカルハドロン化といった非摂動的効果を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeにおける高精度 $e^+e^{-}$ 測定は、フラグメンテーション関数と部分粒子シャワー・モデルの制約をどのように改善できるか？
• RQ2 FCC-eeのデータは、$W$および$Z$崩壊、特に $WW$ および $t\bar{t}$ 最終状態において色再結合の役割をどの程度解明できるか？
• RQ3 FCC-eeにおける高多重度 $e^+e^{-}$ イベントは、QCD真空におけるスファラロンやインスタントンの痕跡を明らかにできるか？
• RQ4 多重度や活動度といったグローバルイベント特性は、ハドロン化過程におけるストレンジネスおよびバリオン生成にどのように影響するか？
• RQ5 軟らかく物理的効果（$|p| < \Lambda_{\text{QCD}}$）はフラグメンテーションおよびジェットサブ構造にどのような影響を及ぼし、FCC-eeでどのようにプローブできるか？

主な発見

• FCC-eeは、ZおよびW崩壊から最大 $10^{12}$ 個のジェットと、ヒッグス崩壊から生じる $10^5$ 個のグルーオンジェットを生成すると予想され、統計的精度が前例のないものになる。
• ALICEが高多重度イベントにおける $\Omega$ バリオンの増強を測定した結果は、現在のイベントジェネレータではジェット普遍性が破綻している可能性を示唆し、新たなモデルの必要性を示している。
• 色再結合効果はLEPで99.5%信頼水準で確認されたが、FCC-eeでは半レプトン的 $WW$ 崩壊を用いて微分的制約が可能となり、$M_W$ を抽出した後、完全にハドロン的崩壊での色再結合を測定できる。
• LEPでの軟らかく粒子スペクトルの測定（$p_K \sim 250$ MeV まで）は前例を示したが、FCC-eeではより低い運動量まで高精度で延長可能である。
• イベント活動度関数としてのストレンジネスおよびバリオン生成比は非一様な振る舞いを示し、ハドロン化過程における量子数保存則の局所的破綻を示唆している。
• FCC-eeにおける高統計的 $e^+e^{-}$ データにより、QCD真空位相空間におけるスファラロンやインスタントンの痕跡を初めて実験的に探る可能性が得られる。