Probing flavor effects in the QCD parton shower using $\mathbf{{\rm D}^0}$-tagged jet angularities in proton$-$proton collisions at $\mathbf{ \sqrt{s} = 5.02}$ TeV

技術要約：D0タグ付きジェットの角度量を用いたQCDパートンシャワーにおけるフレーバー効果の探索

問題と動機
量子色力学（QCD）は、グルーオン放出の確率はパトンのカラーチャージ（色電荷）と質量（質量）の両方に依存すると予測している。カラーチャージ依存性（グルーオン起点のシャワーは、より大きなカラー因子を持つためクォーク起点のものよりも広くなるという性質）は確立されているが、パートンシャワーの進化およびその後のハドロン化における特定の役割としてのパトンの質量の寄与については、さらなる経験的な制約が必要な領域として残っている。具体的には、重いクォーク（チャームおよびビューティー）は、その大きな質量によって共線的なグルーオン放射を抑制することが予測されており、これは「デッドコーン効果」として知られている。この効果は、より収束したシャワーと、より硬いフラグメンテーションをもたらす。

ジェット部分構造の観測量（一般化されたジェット角度量など）に関する先行研究は、主にインクルーシブ・ジェット（グルーオンが支配的）や、質量効果が顕著ではない高横運動量（$p_T$）領域に焦点を当ててきた。CMS実験は以前、$p_T > 30$ GeV/cにおいてビューティー・タグ付きジェットの角度量を測定したが、クォーク起点のサンプルとグルーオン起点のサンプルの間に有意な差は見出せなかった。これに対し、ALICE実験は、質量効果が最も顕著となる運動学的領域（$10 < p_T < 20$ GeV/cの低ジェット横運動量領域）を調査することを目指している。本論文は、$\sqrt{s} = 5.02$ TeVの陽子・陽子（pp）衝突における、チャームに富んだ（D0タグ付き）ジェットのジェット角度量を測定し、インクルーシブ・ジェットと比較することで、フレーバー依存的なフラグメンテーションの系統的な研究を行う。

手法
本解析では、LHC Run 2の2017年にALICE実験によって記録されたデータを使用する。測定は、解像度パラメータ $R = 0.4$ の反平行（anti-$k_T$）アルゴリズムを用いて再構成された荷電粒子ジェットに焦点を当てている。

1. ジェットおよびD0の再構成:

   • D0タギング: ジェットの構成要素の中にプロンプトD0中間子を同定することにより、ジェットをチャーム起点のものとしてタグ付けする。D0候補は、ラピディティ範囲 $|y| < 0.8$ および横運動量 $5 < p_T^{D^0} < 36$ GeV/cにおける崩壊チャネル $D^0 \to K^-\pi^+$ を通じて再構成される。
   • ジェット選択: ジェットは $10 < p_T^{\text{ch. jet}} < 20$ GeV/cの範囲で選択され、D0中間子は $5 < p_T^{D^0} < 20$ GeV/cの範囲にあることが要求される。ジェット軸は、Time Projection Chamber（TPC）内での全受容性を確保するため、$|\eta_{\text{jet}}| < 0.5$ に制約される。
   • インクルーシブ・ベースライン: インクルーシブな荷電粒子ジェットも、同一の運動学的領域で再構成される。また、インクルーシブ・ジェットのサブセットは、D0中間子に課された運動学的制約を模倣するために、リーディング・トラックの $p_T$ カット（$p_T > 5.33$ GeV/c）を用いて選択される。

2. 観測量の定義:
   本研究では、以下の通り定義される一般化されたジェット角度量を用いる：
   $$\lambda_{\alpha}^{\kappa} \equiv \sum_{i \in \text{jet}} \left( \frac{p_{T,i}}{p_{T}^{\text{jet}}} \right)^{\kappa} \left( \frac{\Delta R_{\text{jet},i}}{R} \right)^{\alpha}$$
   ここで $\Delta R$ はラピディティ–アジマス平面における距離である。解析では $\kappa = 1$ に固定し、角度重みパラメータ $\alpha$（1, 1.5, 2, 3）を変化させる。低い $\alpha$ 値は共線的な放射（ジェットコア）を強調し、高い $\alpha$ 値は広角放射（ジェット周辺部）への感度を高める。

3. 補正とアンフォールディング:

   • 背景減算: 生の収量は、不変質量サイドバンド減算法を用いて組合せ背景（コンビナトリアル・バックグラウンド）の補正が行われる。
   • フィードダウン除去: 非プロンプトD0中間子（ビューティー・ハドロンの崩壊に由来するもの）からの寄与は、POWHELとPYTHIA 8パートンシャワーを結合した次世代（NLO）pQCD計算を用いて差し引かれる。
   • アンフォールディング: トラッキングの非効率性や運動量のスメアリングを含む検出器効果は、検出器レベルの変数から真値レベルの変数への4次元応答行列を用いた、反復ベイズ・アンフォールディング法（RooUnfold）を用いて補正される。

主な貢献と結果
本論文は、$\sqrt{s} = 5.02$ TeVのpp衝突におけるD0タグ付きジェットの角度量の初測定を提示している。

• デッドコーン効果の観測: $\alpha = 1$（共線的放射を強調）において、D0タグ付きジェットはインクルーシブ・ジェットと比較して有意に小さい角度量を示す。分布はより低い $\lambda_{\alpha}$ 値にピークを持ち、これはチャーム起点のジェットにおける横運動量がジェット軸の近くに集中していることを示している。これは、重いクォークによる放射抑制（デッドコーン効果）の直接的な証拠として解釈される。
• フレーバー依存性と角度重み: 角度重み $\alpha$ が増加するにつれ、D0タグ付きジェットとインクルーシブ・ジェットの分布間の差は減少する。$\alpha = 3$（広角放射を強調）では、分布はより類似してくる。これは、質量に起因する修正がジェットコアに集中しており、ジェット周辺部は（クォークとグルーオンを区別する）カラーチャージの効果に敏感であることを示唆している。
• シミュレーションとの比較:
  • PYTHIA 8: PYTHIA 8 Monash 2013チューンは、D0タグ付きおよびインクルーシブ・ジェットの両方の角度量分布を定性的に再現している。特にリーディング・トラック選択がない場合、PYTHIA 8はインクルーシブなものよりもD0タグ付きの分布をわずかに良く記述している。
  • ハドロン化モデル: 異なるハドロン化モデル（Lundストリング対クラスター）を用いたSHERPA 2.2.15シミュレーションとの比較では、両モデルとも $\alpha=3$ の領域を同様に記述するが、$\alpha=1$ の分布のピーク付近で偏差を示すことが明らかになった。これは、低 $\alpha$ の角度量が非摂動的なハドロン化メカニズムに対して敏感であることを浮き彫りにしている。
• フラグメンテーション角への感度: 解析では、角度量分布の形状はエネルギー・エネルギー相関器（EEC）よりもリーディング・トラックの選択に対して敏感であると述べており、これは角度量が個々のジェット断片の放出角を調べる強力なプローブであることを示唆している。

意義
本論文は、ジェット角度量がQCDパートンシャワーにおけるパトン質量効果とカラーチャージ効果を分離するための効果的な観測量であることを確立している。低 $p_T$ 領域におけるデッドコーン効果を実証することで、これらの結果は、特に重フレーバーのフラグメンテーションに関するモンテカルロイベントジェネレーターおよびハドロン化モデルに対する重要な制約を提供する。

著者らは、これらの測定が、重イオン衝突におけるジェット修正の研究のための不可欠な真空ベースラインとして機能すると述べている。重イオン環境における重フレーバー・ジェットに対するクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）の影響を孤立させるためには、pp衝突におけるフレーバー依存的なフラグメンテーションを理解することが前提条件となる。本研究は、質量支配からカラーチャージ支配への遷移を追跡するための、より高い $p_T$ およびビューティー・タグ付きジェットへの将来の拡張への舞台を整えるものである。