[论文解读] Multi-jet Merging with TMD Parton Branching

A. Bermúdez Martínez, F. Hautmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新颖的TMD部分子分支方法，通过在高能强子碰撞的多喷子束流合并中引入初始态部分子喷射的横向动量反冲效应，以改进多喷子束流的合并。通过用TMD演化初始态分布替代共线部分子喷射近似，该方法降低了理论系统性不确定度，并增强了对高多重性喷子末态的描述，尤其适用于事件中喷子多重性超过事件生成所用最高矩阵元样本的情况。

ABSTRACT

One of the main theoretical systematics in studies of final states with large jet multiplicities at high-energy hadron colliders is associated with the merging of QCD parton showers and hard-scattering matrix elements. We present a method to incorporate the physics of transverse momentum recoils due to initial-state shower evolution into multi-jet merging algorithms by using the concept of transverse momentum dependent (TMD) distributions and the associated parton branching. We investigate the dependence on the merging scale and illustrate the impact of the new method at the level of both exclusive and inclusive final-state observables by studying differential jet rates, transverse momentum spectra and multiplicity distributions, using vector boson + jets events at the LHC as a case study.

研究动机与目标

• 解决强子对撞机中多喷子束流合并的理论系统性不确定度，特别是针对高多重性末态。
• 通过改进部分子喷射发射的建模，降低预测对合并尺度的依赖性。
• 将初始态演化中的横向动量依赖（TMD）效应整合到多喷子束流合并算法中。
• 改进对独态和 inclusive 喷子可观测量的描述——特别是当喷子多重性高于矩阵元样本中的情况。
• 展示基于TMD的合并相较于标准共线合并，在真实LHC Z+喷子过程中的可行性与优势。

提出的方法

• 采用TMD演化部分子分支（PB）形式化方法，以包含横向动量反冲效应的方式建模初始态部分子喷射。
• 使用TMD部分子分布函数（PDF）编码初始态部分子的横向动量依赖性，替代共线PDF。
• 通过MLM匹配方案将TMD演化部分子喷射与矩阵元生成事件结合，保持事件权重的一致性。
• 将该方法应用于LHC中Z玻色子+喷子的产生过程，与共线合并结果及ATLAS实验数据进行比较。
• 利用独态和inclusive喷子可观测量，系统研究合并尺度依赖性与理论不确定度。
• 在矩阵元的共线近似（ˆσ(0)）基础上，仅通过初始态PDF引入TMD效应，避免对矩阵元权重进行修改。

实验结果

研究问题

• RQ1 将TMD部分子分支整合到多喷子束流合并中，如何降低与合并尺度相关的理论系统性不确定度？
• RQ2 TMD基合并方法在多于矩阵元样本最高多重性的区域，对喷子多重性分布的描述改善程度如何？
• RQ3 初始态部分子喷射中的TMD效应如何改变微分喷子可观测量，如横向动量谱和二喷子方位角分离？
• RQ4 TMD演化对Z+喷子事件中inclusive与exclusive喷子多重性分布有何影响？
• RQ5 在Z+多喷子产生方面，新方法与标准共线合并相比，在与ATLAS数据的一致性方面表现如何？

主要发现

• TMD合并方法降低了与合并尺度相关的理论系统性不确定度，尤其在高喷子多重性区域更为显著。
• 该方法改善了对独态可观测量（如二喷子方位角分离和横向动量谱）的描述，尤其在喷子多重性超过最高矩阵元样本的事件中表现更优。
• 使用TMD合并时，inclusive喷子多重性分布与ATLAS数据的符合度更高，尤其在高多重性尾部区域。
• TMD合并更准确地模拟了喷子的横向动量谱，反映了初始态横向动量反冲的正确运动学效应。
• 使用TMD演化时，二喷子质量分布对合并尺度的敏感性降低，表明理论预测更具稳定性。
• 该方法在多种可观测量（包括φ∗和横向动量标量和）上表现出一致性能，证实了其在不同相空间区域的鲁棒性。