[論文レビュー] The azimuthal correlation between the leading jet and the scattered lepton in deep inelastic scattering at HERA

ZEUS Collaboration, I. Abt+79 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、ZEUS実験から得られた326 pb⁻¹のデータを用いて、HERAにおける深き弾性散乱での散乱レプトンと先頭ジェットの間の方位角相関角∆ϕの高精度測定を提示する。微分ジェット断面積dσ/d∆ϕは、ジェットの横運動量、光子の仮想的、ジェット多重度に応じた物理的領域で測定され、摂動的QCD計算（O(α²ₛ)）は、一部の高多重度イベントにおける∆ϕ → π付近を除き良好な一致を示す。

ABSTRACT

The azimuthal correlation angle, $Δϕ$, between the scattered lepton and the leading jet in deep inelastic $e^{\pm}p$ scattering at HERA has been studied using data collected with the ZEUS detector at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 318 \;\mathrm{GeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $326 \;\mathrm{pb}^{-1}$. A measurement of jet cross sections in the laboratory frame was made in a fiducial region corresponding to photon virtuality $10 \;\mathrm{GeV}^2 < Q^2 < 350 \;\mathrm{GeV}^2$, inelasticity $0.04 < y < 0.7$, outgoing lepton energy $E_e > 10 \;\mathrm{GeV}$, lepton polar angle $140^\circ < θ_e < 180^\circ$, jet transverse momentum $2.5 \;\mathrm{GeV} < p_\mathrm{T,jet} < 30 \;\mathrm{GeV}$, and jet pseudorapidity $-1.5 < η_\mathrm{jet} < 1.8$. Jets were reconstructed using the $k_\mathrm{T}$ algorithm with the radius parameter $R = 1$. The leading jet in an event is defined as the jet that carries the highest $p_\mathrm{T,jet}$. Differential cross sections, $dσ/dΔϕ$, were measured as a function of the azimuthal correlation angle in various ranges of leading-jet transverse momentum, photon virtuality and jet multiplicity. Perturbative calculations at $\mathcal{O}(α_{s}^2)$ accuracy successfully describe the data within the fiducial region, although a lower level of agreement is observed near $Δϕ ightarrow π$ for events with high jet multiplicity, due to limitations of the perturbative approach in describing soft phenomena in QCD. The data are equally well described by Monte Carlo predictions that supplement leading-order matrix elements with parton showering.

研究の動機と目的

• HERAにおける深き弾性散乱で、高精度で微分ジェット断面積dσ/d∆ϕを測定すること。
• 散乱レプトンと先頭ジェットの方位角相関が、摂動的および非摂動的領域におけるQCDダイナミクスに与える感度を調べること。
• O(α²ₛ)摂動的QCD計算および部分素粒子シャワーモデルを組み込んだモンテカルロモデルが、角度相関を記述する有効性を検証すること。
• 特に高ジェット多重度イベントにおける∆ϕ → π付近で、ソフトQCD現象の記述に生じる不一致を特定すること。
• 将来のグローバルフィットおよび高エネルギーep衝突におけるQCDの高精度テストのためのベンチマークデータセットを提供すること。

提案手法

• データは、中心系エネルギー√s = 318 GeVで取得され、積分 luminosity 326 pb⁻¹に相当するZEUS検出器を用いて収集された。
• ジェットは半径パラメータR = 1を用いたkTアルゴリズムで再構成され、先頭ジェットは横運動量が最大のものとして定義された。
• 物理的領域選択の適用：10 GeV² < Q² < 350 GeV²、0.04 < y < 0.7、Ee > 10 GeV、140° < θe < 180°、2.5 GeV < pT,jet < 30 GeV、−1.5 < ηjet < 1.8。
• 微分断面積dσ/d∆ϕは、先頭ジェットのpT,jet、Q²、およびジェット多重度（Njet ≥1、≥2、≥3）のビンごとに抽出された。
• QED補正はRAPGAPモンテカルロジェネレータを用いて推定され、データに適用された。補正係数は表8〜10に示されている。
• O(α²ₛ)精度の理論的予測と、部分素粒子シャワーモデルを組み込んだモンテカルロシミュレーションを、データと比較して一致度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O(α²ₛ)摂動的QCD計算は、HERAの深き弾性散乱の物理的領域で測定されたdσ/d∆ϕ分布をどの程度よく記述するか？
• RQ2 ∆ϕ → π付近での方位角相関の振る舞いは何か？ これは、ソフトQCD過程における摂動的QCDの限界を示唆するか？
• RQ3 ジェット多重度に応じて、データとモンテカルロ予測との一致度はどのように変化するか？ 特に高Njetイベントにおいては？
• RQ4 RAPGAPを用いて推定されたQED補正は、最終的な微分断面積測定にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 モンテカルロモデルに部分素粒子シャワーを組み込むことで、固定順序計算に比べて∆ϕ分布の記述がどの程度改善されるか？

主な発見

• O(α²ₛ)精度の摂動的QCD計算は、先頭ジェットの横運動量、光子の仮想的、ジェット多重度の全範囲で測定されたdσ/d∆ϕ分布をよく再現している。
• Njet ≥ 2およびNjet ≥ 3のイベントにおける∆ϕ → π付近で、一致度が低く、これは摂動的QCDがソフトで非摂動的QCD効果を記述する能力に限界を示していることを示唆している。
• 部分素粒子シャワーモデルを補正項に加えたモンテカルロ予測は、O(α²ₛ)計算と同程度にデータをよく再現している。
• RAPGAPを用いて推定されたQED補正係数は、異なる∆ϕおよび運動量領域で0.483から1.039の範囲にあり、低pT,jetおよび高Njet領域で最大の補正が観察された。
• 包括的断面積の補正係数は0.766から1.030の範囲にあり、最終結果では系統的不確実性が考慮された。
• データは、∆ϕ ≈ 3.14 rad（π）でピークを持つ明確な∆ϕ分布構造を示しており、高多重度イベントでは∆ϕ → π付近で抑制が観察された。これは非摂動的効果と整合的である。