[论文解读] Determination of the strong coupling constant from transverse energy$-$energy correlations in multijet events at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, B.+2877 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机上ATLAS探测器采集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据（√s = 13 TeV），对多喷胶事件中的横向能量-能量关联（TEEC）及其方位角不对称性（ATEEC）进行了高精度测量。首次以近近邻领先阶（NNLO）精度提取了强耦合常数𝛼𝑠，得到𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1175 ± 0.0006（实验误差）+0.0034/−0.0017（理论误差），对量子色动力学在高动量尺度下的行为提供了严格检验。

ABSTRACT

Measurements of transverse energy$-$energy correlations and their associated azimuthal asymmetries in multijet events are presented. The analysis is performed using a data sample corresponding to 139 $\mbox{fb\(^{-1}\)}$ of proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV, collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The measurements are presented in bins of the scalar sum of the transverse momenta of the two leading jets and unfolded to particle level. They are then compared to next-to-next-to-leading-order perturbative QCD calculations for the first time, which feature a significant reduction in the theoretical uncertainties estimated using variations of the renormalisation and factorisation scales. The agreement between data and theory is good, thus providing a precision test of QCD at large momentum transfers $Q$. The strong coupling constant $α_s$ is extracted differentially as a function of $Q$, showing a good agreement with the renormalisation group equation and with previous analyses. A simultaneous fit to all transverse energy$-$energy correlation distributions across different kinematic regions yields a value of $α_\mathrm{s}(m_Z) = 0.1175 \pm 0.0006 \mbox{ (exp.)} ^{+0.0034}_{-0.0017} \mbox{ (theo.)}$, while the global fit to the asymmetry distributions yields $α_{\mathrm{s}}(m_Z) = 0.1185 \pm 0.0009 \mbox{ (exp.)} ^{+0.0025}_{-0.0012} \mbox{ (theo.)}$.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV条件下测量多喷胶事件中的横向能量-能量关联（TEEC）及其方位角不对称性（ATEEC），以在高动量转移区域检验微扰量子色动力学。
• 首次利用近近邻领先阶（NNLO）量子色动力学计算，从TEEC与ATEEC分布中提取强耦合常数𝛼𝑠。
• 对不同运动学区域的TEEC与ATEEC分布进行全局拟合，以降低理论不确定性，确定𝛼𝑠(𝑚𝑍)。
• 检验由重整化群方程预测的𝛼𝑠跑动行为，并通过跑动行为的偏离来约束新物理。

提出的方法

• 本分析使用了大型强子对撞机ATLAS探测器在√s = 13 TeV下采集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 通过贝叶斯去卷积技术将测量结果展开至粒子层次，对两个领先喷胶的横向动量标量和分箱的横向能量-能量关联（TEEC）进行测量。
• 方位角不对称性（ATEEC）通过TEEC分布前向与后向部分的差值提取，以增强对胶子辐射和𝛼𝑠的敏感性。
• 将数据与包含尺度变化的NNLO量子色动力学计算进行比较，以估计理论不确定性，显著降低了相比低阶计算的不确定性。
• 对所有TEEC分布进行联合全局拟合，对ATEEC分布进行独立全局拟合，以联合考虑实验与理论不确定性的方法提取𝛼𝑠(𝑚𝑍)。
• 通过改变重整化与因子化尺度来估计理论不确定性，结果经过去卷积处理以消除探测器效应和探测器级偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV条件下，从多喷胶事件中TEEC与ATEEC测量结果中，强耦合常数𝛼𝑠的提取精度如何？
• RQ2 测量得到的TEEC与ATEEC分布与NNLO量子色动力学预测的符合程度如何？高阶修正对理论不确定性的贡献是什么？
• RQ3 从TEEC与ATEEC分布中提取的𝛼𝑠(𝑚𝑍)值是否与重整化群方程预测的跑动行为一致？
• RQ4 与低阶计算相比，包含NNLO修正对𝛼𝑠确定精度的提升效果如何？
• RQ5 对TEEC与ATEEC分布的全局拟合能否提供一致且精确的𝛼𝑠(𝑚𝑍)确定结果，并有效降低理论不确定性？

主要发现

• 首次以近近邻领先阶（NNLO）精度从TEEC与ATEEC分布中提取强耦合常数𝛼𝑠，显著降低了理论不确定性。
• 对TEEC分布的全局拟合得到𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1175 ± 0.0006（实验误差）+0.0034/−0.0017（理论误差），与重整化群方程预测高度一致。
• 对ATEEC分布的全局拟合得到𝛼𝑠(𝑚𝑍) = 0.1185 ± 0.0009（实验误差）+0.0025/−0.0012（理论误差），与TEEC结果一致，并与以往测量结果相符。
• 在所有运动学区域中，数据与NNLO量子色动力学计算的符合性良好，验证了高动量转移区域理论框架的精确性。
• 引入NNLO修正后，理论不确定性显著减小，使得𝛼𝑠的确定精度相比以往低阶分析得到明显提升。
• 结果对量子色动力学在大动量尺度下的行为提供了严格检验，并通过其对𝛼𝑠跑动行为的潜在影响，约束了新色荷粒子的存在。