[论文解读] Measurement of the Lund jet plane in hadronic decays of top quarks and W bosons with the ATLAS detector

G. Aad, Erlend Aakvaag+2888 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次利用ATLAS探测器在13 TeV质子-质子对撞中获得的140 fb⁻¹数据，测量了顶夸克和W玻色子胶子衰变中的Lund喷注平面（LJP）。LJP是一种对部分子喷发和强子化动力学敏感的二维喷注亚结构可观测量。测量结果显示，数据与所有蒙特卡罗预测之间存在显著差异，尤其在W玻色子引发的喷注中更为明显，凸显了改进重粒子衰变建模的迫切需求。

ABSTRACT

The Lund jet plane (LJP) is measured for the first time in $t\bar{t}$ events, using 140 $ extrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV pp collision data collected with the ATLAS detector at the LHC. The LJP is a two-dimensional observable of the sub-structure of hadronic jets that acts as a proxy for the kinematics of parton showers and hadron formation. The observable is constructed from charged particles and is measured for $R=1.0$ anti-$k_t$ jets with transverse momentum above 350 GeV containing the full decay products of either a top quark or a daughter W boson. The other top quark in the event is identified from its decay into a b-quark, an electron or a muon and a neutrino. The measurement is corrected for detector effects and compared with a range of Monte Carlo predictions sensitive to different aspects of the hadronic decays of the heavy particles. In the W-boson-initiated jets, all the predictions are incompatible with the measurement. In the top quark initiated jets, disagreement with all predictions is observed in smaller subregions of the plane, and with a subset of the predictions across the fiducial plane. The measurement could be used to improve the tuning of Monte Carlo generators, for better modelling of hadronic decays of heavy quarks and bosons, or to improve the performance of jet taggers.

研究动机与目标

• 利用ATLAS探测器首次测量顶夸克和W玻色子胶子衰变中的Lund喷注平面（LJP）。
• 研究高能、强子化喷注系统中部分子喷发和强子化动力学的运动学特征。
• 测试蒙特卡罗事件生成器在模拟顶夸克和W玻色子喷注亚结构方面的性能。
• 识别数据与模拟之间的系统性差异，以改进喷注亚结构建模。
• 为生成器调优和提升喷注识别算法提供基准测试。

提出的方法

• 从R = 1.0的反kₜ喷注中重建LJP，要求其横向动量 > 350 GeV，且基于带电粒子数据。
• 根据事件中另一顶夸克的衰变产物（底夸克、轻子、中微子）将喷注分类为顶夸克或W玻色子引发。
• 利用去卷积技术校正探测器效应，以便将数据与蒙特卡罗预测进行比较。
• 在由运动学和拓扑标准定义的物理区域中执行测量，以确保喷注识别的清晰性。
• 使用一系列蒙特卡罗生成器（如Powheg-Box、Herwig++等）与数据进行对比，各生成器对部分子喷发和强子化过程的不同方面具有敏感性。
• LJP由反kₜ算法聚类历史中原始喷注的横向动量与角度构建。

实验结果

研究问题

• RQ1 顶夸克和W玻色子胶子衰变中的Lund喷注平面分布与蒙特卡罗预测相比如何？
• RQ2 在LJP平面的不同区域中，数据与模拟之间存在哪些差异？
• RQ3 当前部分子喷发和强子化模型在描述高能、强子化喷注的运动学特征方面失败的程度如何？
• RQ4 LJP测量能否作为调优蒙特卡罗生成器的敏感可观测量？
• RQ5 LJP如何提升顶夸克和W玻色子喷注的喷注识别算法性能？

主要发现

• 在整个物理区域平面内，所有蒙特卡罗预测均与W玻色子引发喷注的测量LJP分布不相容。
• 在顶夸克引发的喷注中，观测到与预测在LJP平面较小子区域存在显著差异，表明模型存在局部缺陷。
• 部分蒙特卡罗生成器在LJP的多个区域表现出一致的偏差，提示其在部分子喷发演化或强子化建模方面存在系统性不足。
• 测量得到的LJP为测试和改进重夸克与玻色子衰变背景下事件生成器的调优提供了新的、高分辨率的基准。
• 结果表明LJP对QCD动力学的细微差异高度敏感，是喷注亚结构与生成器验证的宝贵工具。
• 数据明确揭示了在强子化顶夸克和W玻色子衰变中，需对部分子喷发辐射和强子化过程进行更精确的建模。