[论文解读] Back-to-back azimuthal correlations in $\mathrm {Z} +$jet events at high transverse momentum in the TMD parton branching method at next-to-leading order

H. Yang, A. Bermúdez Martínez+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种新颖的实验探测方法，通过比较高横动量（pT ≈ 100–1000 GeV）下Z玻色子与喷注之间的方位角关联，以及多喷注事件中的关联，来探测量子色动力学（QCD）中因子分解破坏效应。利用与NLO计算通过MCatNLO匹配的Parton Branching（PB）TMD方法，结果表明：在pT ~ 100 GeV时，Z+喷注的方位角关联比二喷注产生更陡峭，但在pT ~ 1000 GeV时趋于收敛，凸显了初态与末态辐射之间差异，可能揭示非微扰动力学特性。

ABSTRACT

Azimuthal correlations in Z+jet production at large transverse momenta are computed by matching Parton - Branching (PB) TMD parton distributions and showers with NLO calculations via MCatNLO. The predictions are compared with those for dijet production in the same kinematic range. The azimuthal correlations $Δϕ$ between the Z boson and the leading jet are steeper compared to those in dijet production at transverse momenta ${\cal O}(100)$ GeV, while they become similar for very high transverse momenta ${\cal O}(1000)$ GeV. The different patterns of Z+jet and dijet azimuthal correlations can be used to search for potential {\it factorization - breaking} effects in the back-to-back region, which depend on the different color and spin structure of the final states and their interferences with the initial states. In order to investigate these effects experimentally, we propose to measure the ratio of the distributions in $Δϕ$ for Z+jet - and multijet production at low and at high transverse momenta, and compare the results to predictions obtained assuming factorization. We examine the role of theoretical uncertainties by performing variations of the factorization scale, renormalization scale and matching scale. In particular, we present a comparative study of matching scale uncertainties in the cases of PB-TMD and collinear parton showers.

研究动机与目标

• 研究高横动量下Z+喷注与二喷注产生之间方位角关联的差异。
• 探测由初态与末态辐射中色荷和自旋干涉引起的QCD中潜在的因子分解破坏效应。
• 提出一种可观测量——Z+喷注与多喷注事件中∆φ分布的比值——以检验因子分解假设。
• 评估PB-TMD与共线部分子喷注相比，在因子化、重整化及匹配尺度变化下的理论不确定性。
• 实现对高pT下背对背区域（Δφ ≈ π）的新实验探测，该区域此前因角分辨率不足而未被充分探索。

提出的方法

• 采用Parton Branching（PB）方法建模与横动量相关的部分子分布函数（PDFs）及部分子喷注。
• 利用MCatNLO框架将PB-TMD演化PDF与Z+喷注产生的NLO计算结果匹配。
• 使用MADGRAPH5_AMC@NLO计算NLO矩阵元，并与CAS3和H6部分子喷注算法结合以进行验证。
• 对因子化、重整化及匹配尺度进行系统性变化，以量化理论不确定性。
• 将PB-TMD的预测与共线部分子喷注（H6）的预测进行比较，以评估匹配尺度的敏感性。
• 对Z+喷注与二喷注事件使用相同的LHE文件，以确保∆φ分布比较的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高横动量下，Z玻色子与喷注之间的方位角关联与二喷注产生中的关联有何不同？
• RQ2 在高pT下，何种可观测量可用于实验探测QCD中的因子分解破坏效应？
• RQ3 与共线喷注相比，尺度变化带来的理论不确定性如何影响PB-TMD的预测？
• RQ4 在pT ~ 1000 GeV时，TMD动力学与软胶子重求和在多大程度上改变了Z+喷注事件中的∆φ分布？
• RQ5 Z+喷注与多喷注事件中∆φ分布的比值能否作为探测非微扰效应的清晰探针？

主要发现

• 在pT ≈ 100 GeV时，由于初态辐射增强及色干扰效应，Z+喷注的方位角关联比二喷注产生更陡峭。
• 在pT ≈ 1000 GeV时，Z+喷注与二喷注产生的∆φ分布趋于一致，表明微扰动力学趋于收敛。
• 尺度变化带来的理论不确定性在PB-TMD与共线喷注框架中均得到良好控制且一致。
• 当与MCatNLO匹配时，PB-TMD方法成功复现了NLO+PS预测，验证了其在高pT研究中的适用性。
• 对Z+喷注与多喷注事件中∆φ比值的比较，提供了一个稳健且尺度无关的可观测量，可用于检验因子分解。
• 前向/后向区域中伪快度分布的差异对部分子喷注参数（特别是VQCUT和VGCUT）高度敏感。