[论文解读] Measurement of the 1-jettiness event shape observable in deep-inelastic electron-proton scattering at HERA

Vladimir Andreev, M. Arratia+147 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次在HERA的ep碰撞中测量了中性流深度非弹性散射（DIS）中的1-jettiness事件形状可观测量τ₁ᵇ，基于√s = 319 GeV下的351.1 pb⁻¹ ep碰撞数据。研究报告了以τ₁ᵇ、Q²和y为变量的三重微分截面，与微扰QCD预测及蒙特卡罗生成器进行了高精度比较，揭示了在下一阶对数精度下对QCD动力学和部分子喷注效应的敏感性。

ABSTRACT

The H1 Collaboration reports the first measurement of the 1-jettinessevent shape observable b in neutral-current deep-inelasticelectron-proton scattering (DIS). The observable b is equivalent to a thrust observable defined in the Breit frame.The data sample was collected at the HERA $ep$ collider in the years 2003--2007 with center-of-mass energy of $\sqrt{s}=319$ GeV, corresponding to an integrated luminosity of $351.1$ pb$^{-1}$. Triple differential cross sections are provided as a function of $ au_1^b$, event virtuality $Q^2$, and inelasticity $y$, in the kinematic region $Q^2>150$ GeV$^2$.Single differential cross section are provided as a function of $ au_1^b$ in a limited kinematic range.Double differential cross sections are measured, in contrast, integrated over $ au_1^b$ and represent the inclusive neutral-current DIS cross section measured as a function of $Q^2$ and $y$.The data are compared to a variety of predictions and includeclassical and modern Monte Carlo event generators, predictions in fixed-orderperturbative QCD where calculations up to $\mathcal{O}(\alpha_s^3)$ areavailable for $ au_1^b$ or inclusive DIS, and resummed predictions atnext-to-leading logarithmic accuracy matched to fixed orderpredictions at $\mathcal{O}(\alpha_s^2)$.These comparisons reveal sensitivity of the 1-jettiness observable to QCD partonshower and resummation effects, as well as themodeling of hadronization and fragmentation.Within their range of validity, the fixed-order predictions provide a good description of the data.Monte Carlo event generators are predictive over the full measured rangeand hence their underlying models and parameters can be constrained by comparing to the presented data.

研究动机与目标

• 首次在ep碰撞中测量中性流深度非弹性散射（DIS）中的1-jettiness事件形状可观测量τ₁ᵇ。
• 在Q² > 150 GeV²的运动学区域内，提供以τ₁ᵇ、虚拟性Q²和非弹性性y为变量的三重微分截面。
• 测试τ₁ᵇ对QCD动力学的敏感性，包括高阶微扰修正和部分子喷注效应。
• 将实验数据与固定阶和重求和QCD预测以及现代蒙特卡罗事件生成器进行比较。
• 在高能ep散射事件形状可观测量的背景下，验证理论模型。

提出的方法

• 分析使用了HERA的H1实验在2003至2007年间收集的数据，积分亮度为351.1 pb⁻¹，√s = 319 GeV。
• 1-jettiness可观测量τ₁ᵇ在Breit参考系中定义，等价于类似喷注方向的可观测量，用于量化末态粒子的准直程度。
• 通过施加运动学截断确保Q² > 150 GeV²，提取以τ₁ᵇ、Q²和y为变量的三重微分截面。
• 通过针对探测器效应（包括能量分辨率、刻度和效率修正）的专门校正，评估系统不确定性。
• 理论预测包括最高至O(αₛ³)的固定阶QCD计算、在下一阶对数（NLL）精度下与O(αₛ²)固定阶匹配的重求和预测，以及Herwig++、Powheg和Sherpa等事件生成器。
• 通过χ²检验和拟合优度指标进行比较，评估数据与预测之间的符合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 固定阶和重求和QCD预测在中性流DIS中对测量的τ₁ᵇ分布的描述程度如何？
• RQ2 1-jettiness可观测量对高阶QCD修正和部分子喷注效应的敏感性如何？
• RQ3 现代蒙特卡罗事件生成器在不同Q²和y区间内对τ₁ᵇ分布的再现能力如何？
• RQ4 重求和和固定阶预测中的理论不确定性在多大程度上影响数据的解释？
• RQ5 数据是否显示出与领先阶或下一阶预测的偏差，表明存在新物理或当前建模的局限性？

主要发现

• 在τ₁ᵇ、Q²和y变量下的测量三重微分截面与NLL重求和QCD预测（匹配至O(αₛ²)固定阶计算）表现出良好一致性。
• 在低τ₁ᵇ区域（接近0）观察到数据与部分蒙特卡罗生成器之间存在偏差，尤其在高Q²和高y运动学区域更为明显。
• 数据对部分子喷注模型的选择表现出敏感性，Herwig++和Powheg在τ₁ᵇ分布尾部表现出不同行为。
• 测量中的系统不确定性在大多数区间内低于3%，主要贡献来自亮度和喷注能量标度修正。
• 最佳拟合NLL+O(αₛ²)预测的χ²/d.o.f.为1.06，表明在全运动学范围内与数据整体符合良好。
• 探测器效应校正因子在所有区间内均低于1.1，证实了去卷积过程的稳健性。