[论文解读] Searching for and exploring double-parton scattering effects in four-jet production at the LHC

Rafał Maciuła, Antoni Szczurek|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

该论文通过Leading-Order共线计算和ALPGEN模拟单部分子散射（SPS），研究了大型强子对撞机（LHC）上四胶子喷注产生过程中的双部分子散射（DPS）。结果表明，DPS显著改善了在高快速度区域与CMS实验数据的一致性，并提出了一系列动量学截断——特别是低横动量阈值和远距离喷注间的大快速度分离——以增强DPS贡献，预测在广泛分离的喷注之间，其方位角分布趋于平坦，且在最优截断下DPS可占总截面的89%。

ABSTRACT

We discuss four-jet production at the LHC. We calculate cross section for both single-parton scattering (SPS) using the ALPGEN code as well as for double-parton scattering (DPS) in leading-order collinear approach. Our results are compared with experimental data obtained recently by the CMS collaboration. We show that the ALPGEN code relatively well describes distributions in transverse momenta and rapidity of each of the four jets ordered by their transverse momenta (leading, subleading etc.). The SPS mechanism does not explain the distributions at large rapidity for the leading jet. The DPS mechanism considerably improves the agreement with the experimental data in this corner of the phase space. In order to enhance the relative DPS contribution we propose to impose different cuts. The relative DPS contribution increases when decreasing the lower cut on the jet transverse momenta as well as when a low lower cut on the rapidity distance between the most remote jets is imposed. We predict very flat distribution in azimuthal angle between the most remote jets with low lower cuts on jets transverse momentum. We identify phase-space corners where the DPS content is enhanced relatively to the SPS one.

研究动机与目标

• 识别并量化LHC上四喷注产生过程中双部分子散射（DPS）的贡献，其中单部分子散射（SPS）机制在主导喷注大快速度区域无法准确描述实验数据。
• 提出特定的动量学截断，以在不牺牲实验统计显著性的情况下最大化相对DPS贡献。
• 为在四喷注末态中分离DPS效应提供清晰、微分且定量的框架，从而精确提取有效截面σ_eff。
• 通过识别DPS占主导的相空间区域，特别是独家四喷注样本，为未来实验分析提供指导。

提出的方法

• 使用ALPGEN蒙特卡洛生成器计算2→4部分子过程在Leading-Order下的SPS截面。
• 采用Leading-Order共线因子化方法计算DPS截面，使用标准DPS公式并引入组合因子，设定σ_eff=15 mb。
• 对喷注横动量（pT > 20–35 GeV）和快速度分离（ΔY > 7）施加动量学截断，以增强DPS相对于SPS的贡献。
• 比较DPS与SPS在喷注横动量、快速度以及最远喷注间方位角分布的微分分布。
• 采用DPS的因子化假设，结合部分子分布函数和所有相关部分子过程的矩阵元。
• 分析两个最远喷注之间的方位角相关性，其中DPS由于部分子散射的不相关性，预测呈现平坦分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC的四喷注产生过程中，DPS效应是否能在SPS无法准确描述数据的区域被明确识别？
• RQ2 何种动量学截断可在不降低统计显著性的情况下最大化四喷注末态中相对DPS贡献？
• RQ3 SPS与DPS机制下，广泛分离喷注之间的方位角分布有何不同？
• RQ4 现有LHC数据（如CMS）在经优化截断后，能否用于从四喷注事例中提取σ_eff？
• RQ5 在不同相空间区域，特别是高能区和低横动量阈值下，DPS的定量贡献有多大？

主要发现

• 仅靠SPS机制无法准确描述主导喷注在大快速度区域的横动量和快速度分布，表明必须引入DPS贡献。
• 施加喷注横动量下限为20 GeV后，√s = 7 TeV时DPS贡献提升至70%，而√s = 14 TeV时达80%。
• 在最远喷注间增加快速度分离截断ΔY > 7后，DPS占比在√s = 7 TeV时达到86%，在√s = 14 TeV时达89%。
• DPS通道中，最远喷注间的方位角相关性预测为平坦分布，与SPS在φ = π处的峰值形成鲜明对比。
• 在结合pT > 20 GeV和ΔY > 7的截断下，DPS贡献最高可达总截面的89%，使其成为精确提取σ_eff的可行通道。
• 本研究识别出特定相空间区域——低pT与大ΔY——其中DPS占主导，为微分DPS现象学提供了清晰的环境。