[论文解读] Substructure of high-p_T Jets at the LHC

L.G. Almeida, S.J. Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 72

一句话总结

本文提出使用红外安全的喷注子结构可观测量——特别是平面流和角性——来区分大型强子对撞机（LHC）中顶夸克衰变产生的高- $p_T$ 喷注与QCD背景喷注。通过分析喷注内部的能量流模式，作者表明顶夸克喷注由于三体衰变表现出平面能量沉积，而QCD喷注则表现出更线性的流；微扰计算和蒙特卡洛模拟证实，角性如 $\tilde{\tau}_{-2}$ 和 $\tilde{\tau}_{-5}$ 能够有效区分信号与背景，且在最优动量窗口中信号与背景比率超过10。

ABSTRACT

We study high-pt jets from QCD and from highly-boosted massive particles such as tops, W, Z and Higgs, and argue that infrared-safe observables can help reduce QCD backgrounds. Jets from QCD are characterized by different patterns of energy flow compared to the products of highly-boosted heavy particle decays, and we employ a variety of jet shapes, observables restricted to energy flow within a jet, to explore this difference. Results from Monte Carlo generators and arguments based on perturbation theory support the discriminating power of the shapes we refer to as planar flow and angularities. We emphasize that for massive jets, these and other observables can be analyzed perturbatively.

研究动机与目标

• 识别可用于有效区分高- $p_T$ 顶夸克衰变喷注与QCD背景喷注的红外安全喷注形状可观测量。
• 证明微扰量子色动力学（QCD）计算能够可靠预测大质量、喷注化粒子的喷注子结构可观测量。
• 表明平面能量流和角性能在与新物理搜索相关的喷注质量窗口中提供增强的信号与背景区分能力。
• 使用MadGraph和Sherpa等蒙特卡洛生成器验证理论预测，确认这些可观测量在真实探测器条件下的鲁棒性。

提出的方法

• 作者将喷注形状定义为喷注锥内能量流的红外安全泛函，重点关注平面流和角性 $\tilde{\tau}_a$。
• 他们采用基于因子化的方案计算喷注截面，将微分截面表示为部分子截面与喷注函数的卷积。
• 喷注函数 $J_c(e, m_J, p_T, R)$ 通过微扰方法推导，QCD过程的主导阶贡献在 $\mathcal{O}(\alpha_s)$ 计算，电弱衰变过程则为零阶。
• 平面流被定义为 $D$ 参数的二维推广，用于量化喷注中能量沉积的各向异性。
• 角性 $\tilde{\tau}_a$ 通过 $\tilde{\tau}_a = \frac{1}{p_T^a} \sum_i \Delta R_i^a E_i^a$ 计算，其中 $a$ 控制对边缘与中心流的敏感度。
• 使用事件层面的信号与背景概率比 $R(\tilde{\tau}_a) = P^{\text{sig}}(\tilde{\tau}_a)/P^{\text{QCD}}(\tilde{\tau}_a)$ 来量化区分能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 红外安全的喷注子结构可观测量（如平面流和角性）能否有效区分顶夸克喷注与QCD背景喷注？
• RQ2 QCD喷注（类似二体流）与顶夸克喷注（三体平面流）的喷注形状微扰预测有何不同？
• RQ3 在不同 $a$ 值下的角性在真实蒙特卡洛模拟中在多大程度上增强了信号与背景的分离？
• RQ4 给定角性值的信号与背景概率比是否可作为事件级分析中的稳健区分器？

主要发现

• 平面流能有效区分顶夸克喷注（由于三体衰变产生二维能量沉积）与QCD喷注（主要表现出线性能量流）。
• 角性如 $\tilde{\tau}_{-2}$ 和 $\tilde{\tau}_{-5}$ 展现出强大的区分能力，且在有利动量区域中信号与背景比率超过10。
• 信号与背景比率 $R(\tilde{\tau}_{-2})$ 在 $\tilde{\tau}_{-2} \approx 0.02$ 附近超过1，表明该区域为最大区分区域。
• MadGraph生成器的输出与最低阶微扰预测一致，理论预期与模拟数据之间具有良好一致性。
• 对于顶夸克喷注，$\tilde{\tau}_{-5}$ 在 $\phi = 0$ 和 $\pi$ 处出现极大值，表明对边缘流具有增强敏感度，而二体衰变则无此依赖性。
• 由于红外安全性，角性分布的高阶修正预计适中，支持微扰计算的可靠性。