[论文解读] The azimuthal correlation between the leading jet and the scattered lepton in deep inelastic scattering at HERA

ZEUS Collaboration, I. Abt+79 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用ZEUS实验采集的326 pb⁻¹数据，对HERA上深度非弹性散射过程中，散射轻子与领先喷胶之间的方位角相关角∆ϕ进行了高精度测量。在不同喷胶横动量、虚光子虚拟性及喷胶多重性的束临区域，测量了微分喷胶截面dσ/d∆ϕ，结果与O(α²ₛ)微扰QCD计算总体符合良好，但在高多重性事件中∆ϕ → π附近存在偏差，原因在于难以准确描述软QCD效应。

ABSTRACT

The azimuthal correlation angle, $Δϕ$, between the scattered lepton and the leading jet in deep inelastic $e^{\pm}p$ scattering at HERA has been studied using data collected with the ZEUS detector at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 318 \;\mathrm{GeV}$, corresponding to an integrated luminosity of $326 \;\mathrm{pb}^{-1}$. A measurement of jet cross sections in the laboratory frame was made in a fiducial region corresponding to photon virtuality $10 \;\mathrm{GeV}^2 < Q^2 < 350 \;\mathrm{GeV}^2$, inelasticity $0.04 < y < 0.7$, outgoing lepton energy $E_e > 10 \;\mathrm{GeV}$, lepton polar angle $140^\circ < θ_e < 180^\circ$, jet transverse momentum $2.5 \;\mathrm{GeV} < p_\mathrm{T,jet} < 30 \;\mathrm{GeV}$, and jet pseudorapidity $-1.5 < η_\mathrm{jet} < 1.8$. Jets were reconstructed using the $k_\mathrm{T}$ algorithm with the radius parameter $R = 1$. The leading jet in an event is defined as the jet that carries the highest $p_\mathrm{T,jet}$. Differential cross sections, $dσ/dΔϕ$, were measured as a function of the azimuthal correlation angle in various ranges of leading-jet transverse momentum, photon virtuality and jet multiplicity. Perturbative calculations at $\mathcal{O}(α_{s}^2)$ accuracy successfully describe the data within the fiducial region, although a lower level of agreement is observed near $Δϕ ightarrow π$ for events with high jet multiplicity, due to limitations of the perturbative approach in describing soft phenomena in QCD. The data are equally well described by Monte Carlo predictions that supplement leading-order matrix elements with parton showering.

研究动机与目标

• 在HERA上对深度非弹性散射过程中的微分喷胶截面dσ/d∆ϕ进行高精度测量。
• 探究散射轻子与领先喷胶之间方位角相关性对微扰与非微扰区域QCD动力学的敏感性。
• 检验O(α²ₛ)微扰QCD计算及包含部分子辐射的蒙特卡罗模型在描述角相关性方面的有效性。
• 识别在软QCD现象描述中，特别是在高喷胶多重性事件中∆ϕ → π附近的偏差。
• 为未来全球拟合及高能ep碰撞中QCD的高精度检验提供基准数据集。

提出的方法

• 数据在√s = 318 GeV的质心系能量下，使用ZEUS探测器采集，积分亮度为326 pb⁻¹。
• 采用半径参数R = 1的kT算法重建喷胶，领先喷胶定义为横动量最高的喷胶。
• 应用束临选择条件：10 GeV² < Q² < 350 GeV²，0.04 < y < 0.7，Ee > 10 GeV，140° < θe < 180°，2.5 GeV < pT,jet < 30 GeV，且−1.5 < ηjet < 1.8。
• 在领先喷胶pT,jet、Q²及喷胶多重性（Njet ≥1，≥2，≥3）的分箱中提取微分截面dσ/d∆ϕ。
• 利用RAPGAP蒙特卡罗生成器估算QED修正，并将修正因子应用于数据，具体数值见表8至表10。
• 将O(α²ₛ)精度的理论预测与包含部分子辐射的蒙特卡罗模拟结果与实验数据进行对比，以评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 O(α²ₛ)微扰QCD计算在HERA深度非弹性散射的束临相空间内，对微分截面dσ/d∆ϕ的描述效果如何？
• RQ2 在∆ϕ → π附近，方位角相关性的行为如何？是否揭示了微扰QCD在软QCD过程中的局限性？
• RQ3 在高喷胶多重性事件中，数据与蒙特卡罗预测的一致性如何变化？
• RQ4 通过RAPGAP估算的QED修正对最终微分截面测量的影响程度如何？
• RQ5 与固定阶计算相比，蒙特卡罗模型中引入部分子辐射是否能更准确地描述∆ϕ分布？

主要发现

• 在所有领先喷胶横动量、虚光子虚拟性及喷胶多重性范围内，O(α²ₛ)精度的微扰QCD计算对测量得到的dσ/d∆ϕ分布描述良好。
• 在Njet ≥ 2及Njet ≥ 3事件中，∆ϕ → π附近观测到一致性水平降低，表明微扰QCD在描述软、非微扰QCD效应方面存在局限。
• 通过部分子辐射补充领先阶矩阵元的蒙特卡罗预测，对数据的描述效果与O(α²ₛ)计算相当。
• 通过RAPGAP估算的QED修正因子在不同∆ϕ与动量区间内介于0.483至1.039之间，其中低pT,jet与高Njet区域的修正最大。
• 包含截面的修正因子在0.766至1.030之间变化，最终结果中已考虑系统不确定性。
• 数据在∆ϕ分布中显示出清晰的结构，峰值位于∆ϕ ≈ 3.14 rad（π）附近，且在高多重性事件中∆ϕ → π附近出现抑制，与非微扰效应一致。