Jet substructure of light and heavy flavor jets at RHIC

Resumo Técnico: Subestrutura de Jatos de Flavor Leve e Pesado no RHIC

Problema e Motivação
Estudos de subestrutura de jatos amadureceram no Large Hader Collider (LHC), servindo como ferramentas para restringir funções de distribuição de partons (PDFs), testar a QCD perturbativa e sondar o plasma de quarks-glúons (QGP). No entanto, investigações no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) permanecem escassas. Os autores postulam que a extensão desses estudos para energias mais baixas (200 GeV) no RHIC oferece uma plataforma crucial para testar modelos de QCD não-perturbativa e separar contribuições da hadronização e do evento subjacente suave (soft underlying event). Uma motivação científica primária é o estudo do "efeito de cone morto" (dead cone effect) — a supressão da radiação colinear de QCD ao redor de quarks massivos — que altera o padrão de radiação e se manifesta na subestrutura do jato. Embora existam estudos teóricos, medições experimentais diretas de observáveis de subestrutura de jatos para jatos de flavor pesado são limitadas. Este estudo visa avaliar o potencial do experimento sPHENIX no RHIC para observar esses efeitos, utilizando especificamente a projeção do Plano de Lund Primário (pLP).

Metodologia
O estudo emprega uma simulação de Monte Carlo usando o gerador de eventos PYTHIA 8 com um tune Detroit, configurado para colisões $p + p$ em $\sqrt{s} = 200$ GeV.

• Seleção de Eventos: As amostras incluem jatos semeados por sabores leves ($u, d, s$), charme ($c$) e quarks bottom ($b$), bem como jatos de glúon. Os eventos são gerados via produção de di-jatos QCD $2 \to 2$ LO.
• Cortes Cinemáticos: Os critérios de seleção são adaptados para a aceitação do sPHENIX: jato líder $p_{T1} > 30$ GeV, subledores $p_{T2} > 20$ GeV, e pseudorapidez $|\eta_{jet}| < 0.7$. Um momento transversal mínimo ($p_{T}^{HatMin}$) de 20 GeV é imposto.
• Reconstrução de Jatos: As partículas finais são agrupadas usando o algoritmo anti-$k_t$ com raio $R=0.4$ e a recombinação do esquema $E$ (E-scheme).
• Grooming: Duas versões de jatos são analisadas: não podadas (ungroomed) e podadas (groomed). O grooming utiliza o algoritmo SoftDrop (parâmetros $z_{cut}=0.2, \beta=0$) com o algoritmo de re-agrupamento Cambridge-Aachen (C/A) para mitigar efeitos não-perturbativos como a hadronização e o evento subjacente.
• Identificação (Tagging): Os jatos são categorizados pelo correspondência do eixo do jato com o parton duro inicial no registro Pythia, exigindo uma distância angular $\Delta < 0.4$.
• Observáveis:
  1. Angularidades de Jato ($\lambda_\alpha$): Definidas como $\lambda_\alpha = \sum_{i \in jet} z_i (\Delta_i/R)^\alpha$. O estudo analisa $\alpha = 1/2$ (LHA), $\alpha = 1$ (Largura do Jato) e $\alpha = 2$ (Thrust do Jato).
  2. Plano de Lund Primário (pLP): Uma projeção 2D que mapeia emissões baseadas no logaritmo da fração do momento transversal ($\ln(k_T)$) e no logaritmo do inverso do ângulo de emissão ($\ln(1/\Delta)$).

Principais Resultados

• Discriminação Quark-Glúon: O estudo confirma que as angularidades de jato podem distinguir entre jatos de quark e de glúon em energias do RHIC. Jatos iniciados por glúons exibem distribuições deslocadas para valores maiores de angularidade em comparação aos jatos de quark devido a diferentes padrões de emissão. Curvas de Característica de Operação do Receptor (ROC) indicam uma separação eficiente, com um ponto operacional ótimo em $\lambda_{cut} = 0.3$, produzindo uma eficiência de quark ($\epsilon_q$) de 0.43 e uma eficiência de glúon ($\epsilon_g$) de 0.85.
• Impacto do Grooming: Para a discriminação quark-glúon, o grooming SoftDrop reduz o desempenho da discriminação em comparação com os jatos não podados. Isso é atribuído à remoção de emissões suaves, que contribuem parcialmente para as diferenças estruturais entre jatos de quark e glúon.
• Flavor Pesado vs. Flavor Leve:
  • Angularidades: As distribuições de jatos $b$ deslocam-se para valores maiores de angularidade em comparação aos jatos leves, alcançando eficiências de discriminação similares aos identificadores (taggers) de quark-glúon.
  • Efeito de Cone Morto: A análise do pLP revela uma supressão significativa da radiação colinear para jatos $b$ dentro da faixa logarítmica $\ln(1/\Delta) \approx 2.5$ a $3$, uma característica menos pronunciada em jatos leves e de charme. Esta supressão é concomitante com valores baixos de $\ln(k_T)$.
  • Sensibilidade ao Grooming: Ao contrário do caso quark-glúon, as curvas ROC para a discriminação pesado-leve permanecem similares entre jatos podados e não podados. Os autores atribuem isso ao fato de que as diferenças entre jatos pesados e leves (supressão de radiação e decaimentos de $B$-hadrons) ocorrem na região colinear, que é menos sensível ao grooming SoftDrop.
• Decaimentos de B-Hadrons: O estudo observa que, em energias do RHIC, a probabilidade de produzir um jato a partir de um único quark $b$ é não desprezível. Embora $B$-hadrons estáveis resultariam em $\lambda=0$, a instabilidade e o subsequente decaimento dos $B$-hadrons modificam a subestrutura, deslocando eventos do primeiro bin para bins de angularidade maiores. Os autores observam que isso requer investigação futura cuidadosa.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer um arcabouço detalhado baseado em PYTHIA para medir a subestrutura de jatos no RHIC usando o detector sPHENIX. A principal contribuição é estabelecer a viabilidade de observar experimentalmente o efeito de cone morto em jatos $b$ a 200 GeV. Os resultados alinham-se com as previsões teóricas relativas à supressão da radiação colinear ao redor de quarks massivos e demonstram que o sPHENIX pode distinguir entre jatos leves, de charme e de bottom, bem como jatos de quark e glúon. Essas previsões pretendem servir como base para futuros observáveis inspirados em QCD para estudos de jatos identificados (tagged-jet) no RHIC, complementando as análises de maior energia do LHC para aumentar a compreensão das propriedades do QGP e dos regimes de QCD não-perturbativa.