[论文解读] Study on the azimuthal angle correlation between two jets in the top quark pair production

Kaoru Hagiwara, Junya Nakamura|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 48被引用 3

一句话总结

本研究利用PYTHIA8中的合并树幅矩阵元（最多包含三个部分子）与部分子喷泉，研究了在14 TeV LHC上顶夸克对产生过程中，两个最硬喷泉之间方位角夹角的相关性。结果表明，包含$t\bar{t}+3$部分子矩阵元可显著减少因喷泉$p_T$排序和快度截断导致的相关性损失，从而提高对CP敏感可观测量的预测精度。

ABSTRACT

An azimuthal angle correlation between the two hardest jets is studied in the ttbar production process at the 14 TeV LHC. The event samples are generated by merging the tree level matrix elements for the ttbar plus up to 2 or 3 partons with parton showers. The generated event samples show a strong correlation in the azimuthal angle difference between the two hardest jets, as predicted in the analysis based on the tree level matrix elements for the ttbar+2 partons. The effects of merging the matrix elements for the ttbar+3 partons on the correlation are studied in detail. It is found that they play important roles in improving the prediction of the correlation.

研究动机与目标

• 评估QCD高阶修正下，$t\bar{t}$产生过程中两个最硬喷泉之间方位角相关性的鲁棒性。
• 评估将$t\bar{t}+3$部分子矩阵元与$t\bar{t}+2$部分子相比，对方位角相关性预测精度的影响。
• 开发并测试一种新的树幅合并算法，以抑制多喷泉样本中来自低部分子态的污染。
• 量化顶夸克衰变对方位角相关性可观测量的影响，特别是当选择不包含b-夸克喷泉的喷泉时。
• 通过使用$t\bar{t}$关联喷泉相关性验证模拟工具，支持实验上测量希格斯玻色子CP性质的工作。

提出的方法

• 通过在PYTHIA8中将树幅矩阵元与部分子喷泉合并，生成14 TeV LHC上$t\bar{t}$产生的事件样本，涵盖$t\bar{t}+0$、$t\bar{t}+1$、$t\bar{t}+2$和$t\bar{t}+3$部分子。
• 实现了一种新型树幅合并算法，与CKKW-L方法不同，其通过改进相空间分离，有效抑制多喷泉样本中来自$t\bar{t}+0,1$部分子的污染。
• 计算并分析两个最大横动量喷泉之间的方位角差$\Delta\phi = \phi_1 - \phi_2$作为关键可观测量。
• 通过将$t\bar{t}$衰变信息直接嵌入合并矩阵元事件中，对顶夸克衰变效应进行建模。
• 使用反-$k_T$算法进行喷泉重建，并通过改变快度截断研究其对相关性损失的影响。
• 将合并至多2个或3个部分子的事件样本进行比较，以隔离高部分子态的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含$t\bar{t}+3$部分子矩阵元如何影响两个最硬喷泉之间方位角相关性的预测？
• RQ2 来自$t\bar{t}+0,1$部分子矩阵元的污染在合并事件样本中在多大程度上扭曲了$\Delta\phi$分布？
• RQ3 喷泉$p_T$排序和快度截断如何影响$t\bar{t}+2$部分子样本中的相关性损失？
• RQ4 当从不包含两个最硬b-夸克喷泉的喷泉中选择两个最硬喷泉时，顶夸克衰变对$\Delta\phi$相关性有何影响？
• RQ5 新合并算法是否比CKKW-L更有效地抑制污染，从而提升相关性预测精度？

主要发现

• $\Delta\phi$分布显示出两个最硬喷泉之间存在强相关性，即使在包含高阶QCD修正后，仍与$t\bar{t}+2$部分子树幅矩阵元的预测一致。
• 与$t\bar{t}+2$样本相比，包含$t\bar{t}+3$部分子矩阵元可将相关性损失减少5%至10%，主要通过防止部分子喷泉中的硬辐射喷泉超过两个硬部分子而实现。
• 当施加快度截断时，$t\bar{t}+2$样本中的相关性损失显著增加，原因是两个硬喷泉之一被移除；而$t\bar{t}+3$样本中由于存在第三个硬喷泉，该损失得到缓解。
• 新合并算法比CKKW-L更有效地抑制了来自$t\bar{t}+0,1$部分子的污染，尽管在$\Delta\phi$可观测量中改进幅度并不显著。
• 当从不包含两个最硬b-夸克喷泉的喷泉中选择两个最硬喷泉时，$t\bar{t}$双轻子衰变对$\Delta\phi$的影响较小。
• $t\bar{t}+3$部分子矩阵元在准确预测方位角相关性方面起着关键作用，尤其是在严格快度截断条件下，对降低CP敏感的希格斯玻色子测量中的理论不确定性至关重要。