Standard Model Soft and Hard QCD at ATLAS and CMS

技術要約：ATLASおよびCMSにおける標準模型のソフトおよびハードQCD

問題と範囲
本寄稿は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における広大なエネルギー・スケクトルにわたる量子色力学（QCD）の包括的な探究を扱うものである。中心となる課題は、ソフトなハドロン活動、ハドロン化、およびマルチパートン相互作用を支配する非摂動領域の特性評価と、到達可能な最高エネルギーにおける摂動論的QCD（pQCD）予測の厳密な検証を同時に行うことにある。本論文は、LHC Run 2（$\sqrt{s} = 13$ TeV）およびRun 3初期の陽子・陽子衝突データを用いた、ATLASおよびCMS実験による最近の測定結果の選定を提示することを目的としている。これらの研究は、理論予測の検証、モンテカルロ（MC）イベント生成器の制約、および精密な標準模型（SM）測定や新物理（BSM）探索に必要とされるモデリングの精緻化において極めて重要である。

手法
本論文は、特定のQCD領域に合わせて調整された多様な手法を用いる、多種多様な解析から得られた結果を統合している：

• ソフトQCD（イベント形状）： CMSコラボレーションは、特殊な低パイアップ条件下（$\mu \approx 1$）かつ積算ルミノシティ64 $\mu$b$^{-1}$において収集された、$\sqrt{s} = 13$ TeVでの最小バイアス・イベントを解析した。この研究では、グローバルなイベント形状観測量（多重度、球形度、スラスト、ブロードニングなど）を測定し、粒子レベルへのアンフォールディングを行った。これらは、ソフトな粒子生成の現象論的モデルをテストするために、様々なMCイベント生成器の予測と比較された。
• ハードQCD（ジェット生成）：
  • インクルーシブ・ダイジェット： ATLASは13 TeVの140 fb$^{-1}$のデータを使用し、CMSは5.02 TeVの24.7 pb$^{-1}$を使用した。両コラボレーションは、ダイジェット不変質量（$m_{jj}$）およびラピディティ分離（$y^*$）の関数として、二重微分インクルーシブ・ダイジェット断面積を測定した。結果は、粒子レベルの理論的予測（NLOおよびNNLO）との直接比較を可能にするため、検出器効果のアンフォールディングによる補正が行われた。
  • Upsilonフラグメンテーション： CMSは13 TeVにおける$\Upsilon(nS)$生成をジェット内での生成を調査し、重いクォークのフラグメンテーション・モデルを制約するために、ボトムオニウム状態のジェット観測量に対する分布を測定した。
  • デッドコーン効果： 13 TeVの$t\bar{t}$イベント（59.8 fb$^{-1}$）を用い、CMSは質量を持つクォークからの衝突的なグルーオン放射の抑制を観察するために、角度変数としてのbクォークジェットの微分放出密度を測定した。
• 二重パートン散乱（DPS）： ATLASは、全Run 2データセットを用いて、同符号WW生成におけるDPSの測定を行った。多変量解析を用いてDPS信号を背景事象から分離し、データのフィットを通じて有効断面積（$\sigma_{eff}$）を抽出した。
• 前方陽子検出器： 本論文は、回折過程や光子誘起過程を研究するために、小さな角度で散乱した陽子をタグ付けするAFP（ATLAS）およびPPS（CMS）の前方検出器の能力についてレビューしている。

主要な貢献と結果

1. ソフトQCDモデリングの欠陥： 電荷粒子イベント形状変数の測定により、検討されたどのMCモデルも、全ての観測量を満足に記述できていないことが明らかになった。実験データはシミュレーションよりも等方的であるという系統的な傾向が観察され、ソフトな粒子生成およびマルチパートン相互作用のモデリングにおける持続的な欠陥が浮き彫りになった。
2. pQCDの精密検証：
   • ダイジェット断面積： 測定された断面積は、電弱補正を含むNLOおよびNNLO計算によく一致している。しかし、ATLASの測定では、データと理論の比が$m_{jj}$および$y^*$に対して非自明な依存性を示すことが特定され、理論予測は低い$y^*$においてデータを過大評価しており、高ラピディティおよび高質量において偏差が増大することが示された。CMSの研究では、理論的な不確かさがスケール選択（$\mu_R, \mu_F$）に強く依存していることが示され、NNLO計算は高横運動量領域での不確かさを減少させた一方で、一部の低$p_T$領域では増加を示した。
   • Upsilonフラグメンテーション： 結果は、束縛状態への重いクォークのフラグメンテーションに対する制約を与え、生成メカニズムを識別するためのデータを提供し、「クォークオニア偏極パズル」の理解に寄与した。
   • デッドコーン効果： 解析により、質量を持たないパートンシャワーの予測と比較して、bクォークジェットにおける衝突的な放射の抑制が確認された。質量効果を組み込んだシミュレーションはデータの記述を大幅に改善したが、軽クォークのベースラインは小さな角度での放射が大幅に強いことを示した。
3. 二重パートン散乱： ATLASの測定では、同符号WW生成に対して$\sigma_{eff} = 10.6 \pm 1.8$ mbの有効断面積が抽出された。この結果は、異なる最終状態における過去の測定値と不確かさの範囲内で一致しており、パートン間の空間的および運動学的相関に関する新たな知見を提供している。
4. 前方検出器： レビューでは、AFPおよびPPSがカラーシングレット交換およびセントラル排他的生成の研究を可能にし、稀な排他的最終状態に対してユニークな背景抑制を提供することを強調している。これらの検出器からのRun 3データの解析が、ちょうど開始されたことが記されている。

意義と主張
本論文は、これらの結果が理論的予測およびMCイベント生成器に対する厳格なテストを総括的に提供すると主張している。知見は、精密なSM測定およびBSM探索を支えるために、ソフトな動力学およびマルチパートン相互作用の改良されたモデリングの必要性を強調している。著者らは、重心エネルギーおよびデータ量の増加に伴うRun 3が、QCDのより厳格なテストをもたらし、陽子構造のより深い理解につながると主張している。具体的には、前方検出器のデータが、精密なSM測定のためのさらなる入力を提供し、新しいタイプのBSM探索を可能にすると述べている。本研究は、Run 2の結果から、拡張された運動学的到達範囲と精度を持つRun 3への移行を強調しながら、進行中のLHC物理プログラムへの貢献として提示されている。