[论文解读] Multi-jet physics at high-energy colliders and TMD parton evolution

A. Bermúdez Martínez, F. Hautmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 6

一句话总结

本文提出TMD合并方法，这是一种新颖的多喷注合并框架，通过引入横动量依赖（TMD）部分子分布演化，以减少高能对撞机物理中的理论不确定性。通过利用TMD部分子分支建模初始态横动量展宽，该方法改善了大型强子对撞机（LHC）中Z玻色子+喷注过程的喷注多重性和$p_T$谱描述，将合并尺度变化带来的系统不确定性降低至2%以下，显著低于标准共线合并方法。

ABSTRACT

We discuss implications of the evolution of transverse momentum dependent (TMD) parton distributions on the structure of multi-jet states at high energies. In particular we analyze the theoretical systematics associated with multi-jet merging. We introduce a new merging methodology incorporating TMDs, illustrate its main features and present a comparison of our theoretical results with experimental measurements for Z-boson + jets production at the Large Hadron Collider (LHC).

研究动机与目标

• 为解决当前基于共线喷注演化方法中多喷注合并的理论系统性误差，特别是对合并尺度的敏感性问题。
• 研究TMD部分子演化对喷注产生的影响，特别是初始态$k_T$展宽在生成软胶子和共线胶子发射中的作用。
• 开发并验证一种新型合并方法——TMD合并，通过在初始态引入TMD演化，以更准确描述非共线、高多重性喷注末态。
• 将TMD合并的预测结果与LHC中Z玻色子+喷注过程的实验数据进行比较，重点关注喷注多重性和$p_T$分布。
• 量化通过TMD演化实现矩阵元与部分子喷注描述之间更优匹配所带来的理论不确定性降低程度。

提出的方法

• 基于TMD演化的部分子分支（PB）形式，提出一种TMD合并框架，将MLM匹配方案扩展以包含横动量反冲效应。
• 使用积分TMD分布$a_j(x, \bm{k}^2, \bm{\nu}^2)$量化初始态部分子获得横动量$k_T > p_T$的概率，其定义为$R_j(x, \bm{k}^2, \bm{\nu}^2) = a_j(x, \bm{k}^2, \bm{\nu}^2)/a_j(x, 0, \bm{\nu}^2)$。
• 将TMD合并算法应用于LHC中Z玻色子+喷注过程，采用通过xFitter拟合DIS数据得到的PB TMD集2。
• 设置合并尺度为23 GeV，并与ATLAS和CMS的实验数据进行比较，包括$\phi^*$、DJR $d_{01}$和领先喷注$p_T$等微分分布。
• 将合并尺度在20 GeV至30 GeV之间变化，以评估系统不确定性，观察到在默认预测值的10%以内出现局部变化。
• 在相同设置下将TMD合并与标准共线合并（Pythia 6）进行比较，突出其在高多重性喷注$p_T$谱方面的改进。

实验结果

研究问题

• RQ1 TMD部分子演化在高能下对多喷注末态结构有何影响，特别是在喷注多重性和横动量分布方面？
• RQ2 将TMD演化引入合并算法在多大程度上可减少与合并尺度相关的理论不确定性？
• RQ3 TMD合并能否更准确地描述矩阵元计算中最大部分子多重性之外的高阶非共线发射？
• RQ4 在Z玻色子+喷注过程中，TMD合并与标准共线合并的微分喷注速率和$p_T$谱有何差异？
• RQ5 初始态$k_T$展宽对生成对合并尺度变化敏感的软或共线喷注的概率有何影响？

主要发现

• 与标准共线合并中约10%的系统不确定性相比，TMD合并方法将合并尺度变化引起的喷注多重性率系统不确定性降低至2%以下。
• 在LHC中Z玻色子+喷注过程中，TMD合并的预测结果与实验数据高度一致，甚至在超过三喷注矩阵元极限的喷注多重性范围内仍保持良好符合。
• 与共线合并相比，TMD合并显著改善了领先喷注$p_T$分布，尤其在高多重性末态中，高阶喷注辐射起关键作用。
• 当合并尺度从23 GeV变化至20或30 GeV时，轻子对的$\phi^*$分布和DJR $d_{01}$微分分布变化均小于10%，表明结果具有鲁棒性。
• 在$\mu = 100$ GeV时，TMD演化显著增加了初始态部分子获得横动量$k_T > 20$ GeV的概率，其中高$k_T$尾部贡献达30%，表明其对喷注产生的影响不可忽视。
• 本研究证实，通过TMD分布建模横动量反冲可减少矩阵元与部分子喷注权重之间的不匹配，从而降低理论系统性误差。