[論文レビュー] Searching for and exploring double-parton scattering effects in four-jet production at the LHC

Rafał Maciuła, Antoni Szczurek|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける4ジェット生成における二重パートン散乱（DPS）を、先行度のコリネア計算とALPGENを用いた単一パートン散乱（SPS）の計算で調査している。DPSが高ラピディティ領域におけるCMSデータとの整合性を著しく改善することを示し、特に低横運動量しきい値と遠く離れたジェット間の大きなラピディティ差を特徴とする運動量カットを提案することで、DPS寄与を強化した。その結果、最遠のジェット間の方位角分布は平坦になると予測され、最適化されたカット条件下でDPSは全断面積の最大89％に達する。

ABSTRACT

We discuss four-jet production at the LHC. We calculate cross section for both single-parton scattering (SPS) using the ALPGEN code as well as for double-parton scattering (DPS) in leading-order collinear approach. Our results are compared with experimental data obtained recently by the CMS collaboration. We show that the ALPGEN code relatively well describes distributions in transverse momenta and rapidity of each of the four jets ordered by their transverse momenta (leading, subleading etc.). The SPS mechanism does not explain the distributions at large rapidity for the leading jet. The DPS mechanism considerably improves the agreement with the experimental data in this corner of the phase space. In order to enhance the relative DPS contribution we propose to impose different cuts. The relative DPS contribution increases when decreasing the lower cut on the jet transverse momenta as well as when a low lower cut on the rapidity distance between the most remote jets is imposed. We predict very flat distribution in azimuthal angle between the most remote jets with low lower cuts on jets transverse momentum. We identify phase-space corners where the DPS content is enhanced relatively to the SPS one.

研究の動機と目的

• LHCにおける4ジェット生成において、特に1番目のジェットが大ラピディティで観測される領域でSPSのみではデータを説明できない状況において、二重パートン散乱（DPS）寄与を特定・定量すること。
• 実験的統計量を損なわずに相対的DPS寄与を最大化するための具体的な運動量カットを提案すること。
• DPS効果を4ジェット最終状態から明確に分離するための明確で微分的かつ定量的なフレームワークを提供し、効果的断面積σ_effの正確な抽出を可能にすること。
• 今後の実験的解析を支援するため、特に排他的4ジェット標本においてDPSが支配的になるようなフェーズスペース領域を同定すること。

提案手法

• 2→4パートオン過程の先行度で、ALPGENモンテカルロジェネレータを用いてSPS断面積を計算する。
• 標準的なDPS式を用い、組み合わせ要因とσ_eff=15 mbを含む先行度コリネア因子化アプローチでDPS断面積を計算する。
• ジェットの横運動量（pT > 20–35 GeV）および最も遠く離れたジェット間のラピディティ差（ΔY > 7）に対する運動量カットを適用し、SPSに比してDPS寄与を強化する。
• 最も遠く離れたジェット間の横運動量、ラピディティ、方位角の微分的分布をDPSとSPSで比較する。
• すべての関連するパートオン過程に対して、パートオン分布関数と行列要素を用いた因子化されたアンザッツを用いる。
• 最も遠く離れたジェット間の方位角相関を分析し、DPSでは部分的散乱が独立しているため、平坦な分布が予測される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPSがデータを説明できない領域において、LHCにおける4ジェット生成でDPS効果を明確に識別できるか？
• RQ2 統計的有意性を損なわずに、4ジェット最終状態における相対的DPS寄与を最大化するための運動量カットは何か？
• RQ3 広く離れたジェット間の方位角分布は、SPSとDPSのメカニズムでどのように異なるか？
• RQ4 既存のLHCデータ（例：CMS）を最適化されたカットを用いて、σ_effを4ジェット事象から抽出できるか？
• RQ5 特に高エネルギーおよび低横運動量しきい値の下で、異なるフェーズスペース領域におけるDPSの定量的寄与はどの程度か？

主な発見

• SPSメカニズムのみでは、大ラピディティ領域における1番目のジェットの横運動量およびラピディティ分布を説明できず、DPS寄与の必要性が示唆される。
• ジェットの横運動量に20 GeVの下限カットを適用すると、√s = 7 TeVでDPS寄与が70％に、√s = 14 TeVで80％に上昇する。
• 最も遠く離れたジェット間のラピディティ差にΔY > 7のカットを追加すると、√s = 7 TeVでDPS寄与が86％に、√s = 14 TeVで89％に上昇する。
• 最も遠く離れたジェット間の方位角相関は、DPSチャンネルでは平坦であると予測され、SPSではφ = π付近にピークが現れるのと対照的である。
• pT > 20 GeVおよびΔY > 7の組み合わせカットを適用した最適化条件下で、DPS寄与は全断面積の最大89％に達する。このため、σ_effの正確な抽出に有効なチャンネルとなる。
• 本研究では、低pTおよび大きなΔYを特徴とするフェーズスペースの隅（corners）が特定され、DPSが支配的となるため、微分的DPSの素性研究に適した環境が提供される。