[论文解读] Determination of the strong coupling and its running from measurements of inclusive jet production

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

该论文通过分析LHC在2.76、7、8和13 TeV能量下CMS实验的双微分包含性喷胶截面，并结合HERA的深度非弹性散射数据，以近近似领头阶（NNLO）精度确定了Z玻色子质量标度下的强耦合常数αS。结果为αS(mZ) = 0.1176+0.0014−0.0016，且在高达1.6 TeV的能量范围内提供了αS跑动的证据，这是通过同时提取αS和部分子分布函数（PDFs）实现的。

ABSTRACT

The value of the strong coupling $\alpha_\mathrm{S}$ is determined in a comprehensive analysis at next-to-next-to-leading order accuracy in quantum chromodynamics. The analysis uses double-differential cross section measurements from the CMS Collaboration at the CERN LHC of inclusive jet production in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of 2.76, 7, 8, and 13 TeV, combined with inclusive deep-inelastic data from HERA. The value $\alpha_\mathrm{S}(m_\mathrm{Z})$ = 0.1176$\,^{+0.0014}_{-0.0016}$ is obtained at the scale of the Z boson mass. By using the measurements in different intervals of jet transverse momentum, the running of $\alpha_\mathrm{S}$ is probed for energies between 100 and 1600 GeV.

研究动机与目标

• 使用包含性喷胶产生数据，以高精度在NNLO精度下确定Z玻色子质量标度下的强耦合常数αS。
• 利用喷胶截面测量，在100 GeV至1.6 TeV的能量范围内探测αS的跑动行为。
• 在全局QCD分析中同时提取αS和部分子分布函数（PDFs），以减少由相关性引起的偏差。
• 通过建模pT和|y|区间内相关性的方法，改进对喷胶能量标度和分辨率不确定性的理解。

提出的方法

• 使用√s = 2.76、7、8和13 TeV下CMS实验的双微分包含性喷胶截面，进行近近似领头阶（NNLO）量子色动力学（QCD）全局拟合。
• 将CMS喷胶数据与HERA的包含性深度非弹性散射（DIS）截面数据相结合，以增强对αS和PDFs的约束。
• 采用反-kT算法（R = 0.7）重建喷胶，并应用粒子流重建方法以提高能量和动量分辨率。
• 纳入详细的喷胶能量标度（JES）和喷胶能量分辨率（JER）不确定性，包括其在pT、|y|和质心系能量之间的相关性。
• 通过联合拟合同时提取αS(mZ)和PDFs，以最小化其相互关联带来的偏差。
• 采用XFITTER框架实现QCD分析，并一致地传播不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NNLO精度下，Z玻色子质量标度下的强耦合常数αS的精确值是多少？
• RQ2 QCD预测的αS跑动行为与100 GeV至1.6 TeV能量范围内的实验数据是否一致？
• RQ3 与顺序拟合相比，同时提取αS和PDFs在多大程度上减少了系统性偏差？
• RQ4 喷胶能量标度和分辨率不确定性（包括其相关性）对最终αS确定结果的影响如何？
• RQ5 将LHC喷胶数据与HERA DIS数据结合，对αS和PDFs的精度有何影响？

主要发现

• 在NNLO精度下，Z玻色子质量标度下的强耦合常数确定为αS(mZ) = 0.1176+0.0014−0.0016。
• 在100 GeV至1.6 TeV的能量范围内，观测到αS的跑动行为，且与QCD预测一致。
• 同时提取αS和PDFs可减少其相关性带来的潜在偏差，从而提高αS确定结果的可靠性。
• 分析中对喷胶能量标度和分辨率不确定性进行了详细建模，其在pT和|y|区间内的相关性已明确考虑。
• 引入HERA DIS数据增强了对PDFs的约束，并提高了αS确定的精度。
• 结果发表于《Physics Letters B》，DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139651，采用CC-BY-4.0许可。