[论文解读] Jet Charge with the ATLAS Detector using $\sqrt{s}=8$ TeV $pp$ Collision Data

Benjamin Nachman|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本研究利用 ATLAS 数据中的 5.8 fb⁻¹ 亮度，在 √s = 8 TeV 的质子-质子碰撞中测量喷注电荷，证明了喷注内动量加权的轨迹电荷是一种稳健的工具，可用于标记强子衰变 W 玻色子和夸克的电荷。喷注电荷在蒙特卡罗模拟中被良好建模，在 50% 效率下实现了约 5 倍的负 W 玻色子拒绝率，验证了其在顶夸克和新物理搜索中的应用价值。

ABSTRACT

The momentum-weighted sum of the charges of tracks associated to a jet provides an experimental handle on the electric charge of fundamental strongly-interacting particles. An overview of a study of this jet charge observable for jets produced in dijet and semileptonic $t\bar{t}$ events using $5.8$ $\mathrm{fb}^{-1}$ of data with the ATLAS detector at $\sqrt{s}=8$ TeV is described here. In addition to providing a constraint on hadronization models, jet charge has many possible applications in measurements and searches. The modelling of jet charge and its performance as a charge-tagger are studied in order to establish this observable as a tool for future physics analyses.

研究动机与目标

• 评估喷注电荷作为顶夸克和 QCD 二胶子喷注事例中强子末态电荷标记器的性能。
• 评估喷注电荷在重建部分子级电荷时的性能与建模精度。
• 确立喷注电荷作为高能物理中味标签的互补工具。
• 探索喷注电荷在探测 QCD 动力学及新物理（如 W′/Z′ 玻色子）方面的潜力。

提出的方法

• 喷注电荷 Q 定义为喷注内轨迹电荷的动量加权和，经 (pT,j)^κ 归一化，其中 κ 通过优化性能进行调节。
• 选择 pT > 500 MeV 的轨迹，并通过幽灵关联方法将其关联到喷注，以减少堆叠和宇宙射线污染的影响。
• 使用 R = 0.4 的反-kT 算法重建喷注；对于高 pT 的 W 玻色子，采用 R = 1.0 的大半径喷注以捕捉合并衰变产物。
• 在单轻子 t¯t 事例中评估喷注电荷性能，其中 W 玻色子的电荷可通过轻子电荷确定，从而实现数据驱动的校准。
• 利用 QCD 二胶子喷注事例研究喷注电荷的总体分布及其与二喷注不变质量的关系，作为 √ŝ 的代理指标。
• 采用 MC@NLO + HERWIG + JIMMY（用于 t¯t）和 PYTHIA 8（用于二喷注）的蒙特卡罗模拟来建模喷注电荷，并与数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 t¯t 事例中，喷注电荷能否准确标记强子衰变 W 玻色子的电荷？
• RQ2 蒙特卡罗模拟在不同运动学区域对喷注电荷分布的建模精度如何？
• RQ3 为最大化喷注横动量范围内的电荷标记性能，κ 参数的最优值是多少？
• RQ4 随着对撞能量尺度的提升（作为 √ŝ 的代理），二喷注事例中的平均喷注电荷如何演化？
• RQ5 喷注电荷在多大程度上能够区分夸克喷注与胶子喷注？

主要发现

• t¯t 事例中的喷注电荷分布被蒙特卡罗模拟良好地建模，包括喷注能量标度、分辨率和探测效率在内的不确定度内均与数据一致。
• 在正 W 玻色子效率为 50% 时，实现了约 5 倍的负 W 玻色子拒绝率，证实喷注电荷是一种可行的电荷标记工具。
• 在高 W 玻色子 pT 区域，大半径（R=1.0）喷注比子喷注电荷和的性能更优，表明其在合并拓扑结构中表现更佳。
• 喷注电荷分布显示出平均电荷随二喷注不变质量增加而明显上升，反映出价夸克主导效应，且数据与蒙特卡罗模拟结果一致。
• 最优的 κ 值确定为 0.4，且 pT 依赖性最小，表明其在不同运动学区域中均具有稳健性能。
• 尽管喷注电荷对相反电荷的夸克种类表现出一定区分能力，但对同号夸克之间以及夸克与胶子之间的区分能力有限，表明其在夸克/胶子标记中具有中等实用性。