Studies of quantum chromodynamics with jets at the CMS experiment at the LHC

Abstract

The Standard Model (SM) of particle physics encapsulates our best understanding of fundamental particles and forces. Precision measurements investigating the validity of the Standard Model up to unprecedented energy scales through a variety of processes, comprise a basic objective for the Large Hardon Collider's (LHC) experiments. Towards even higher precision measurements of known interactions, the study of strong interactions sector described by Quantum Chromodynamics (QCD), consists a compelling challenge. In particular, studies based on jets, which are the experimental signatures of strongly interacting particles, quarks and gluons, provide a powerful insight in the strong interactions manifestation. An intriguing feature of QCD is the property of asymptotic freedom which implies that quarks and gluons tend to interact more weakly over short distances and more strongly over longer distances. Alternatively, the strong coupling constant αS decreases when probed at high energy scales and increases at lower energy scales. The αS is the only free parameter in the QCD Lagrangian, apart from the quark masses, that needto be determined experimentally. However, the strong coupling constant is not itself a physical observable and therefore its value must be inferred from experimental observables which are sensitive to αS.In this dissertation, the measurement of the strong coupling constant is performed through the RΔφ observable. This is defined as a fraction between the number of neighboring jets with transverse momenta above a pT threshold which accompany a given jet within a specified distance interval in the azimuthal plane Δφ, divided by the number of all jets in the event. The measurement is based on data from proton-proton collisions collected by the CMS experiment during LHC Run 2 (2016-2018) at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 134.47 fb^{-1}. Predictions from simulations using Monte Carlo event generators that include parton showers, hadronization, and multiparton interactions describe barely the results. Theoretical fixed-order predictions of perturbative QCD at next-to-leading order NLO accuracy, corrected for non-perturbative effects, are also compared to the measurement and within uncertainties they are in complete agreement with experimental data. From this comparison the strong coupling constant at the scale of the Z-boson mass is determined to be αS(Mz)=0.1158{-0.0042}{+0.0089}, where the errors include the experimental, non-perturbative, PDF and scale uncertainties, using the NNPDF31 NLO PDF set. Furthermore, the running of the strong coupling constant was tested in the TeV region up to 2081 GeV, where no deviation from the expected behaviour described by QCD was observed.

Η πληρέστερη κατανόηση που διαθέτουμε σχετικά με τα στοιχειώδη σωματίδια και τις θεμελιώδεις δυνάμεις βρίσκεται ενσωματωμένη στο Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) της σωματιδιακής φυσικής. Οι μετρήσεις ακριβείας που διερευνούν την ισχύ του Καθιερωμένου Προτύπου σε ολοένα και υψηλότερες κλίμακες ενέργειας μέσω διαφόρων διεργασιών, συνιστούν βασική επιδίωξη για τα πειράματα του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (LHC). Ανάμεσα στις πιο ενδιαφέρουσες μετρήσεις γνωστών διεργασιών, συγκαταλέγονται εκείνες που αφορούν στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις οι οποίες περιγράφονται μέσω της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής. Ειδικότερα, οι μελέτες που βασίζονται σε πίδακες σωματιδίων, οι οποίοι προσδιορίζονται ως το πειραματικό αποτύπωμα των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης, δηλαδή κουάρκς και γλοιονίων, αποτελούν ένα πολύτιμο εργαλείο για την βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Ένα εξέχον χαρακτηριστικό της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής είναι η ιδιότητα της ασυμπτωτικής ελευθερίας η οποία συνεπάγεται ότι τα κουάρκς και τα γλοιόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ασθενέστερα σε κοντινές αποστάσεις και ισχυρότερα σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Με άλλα λόγια, η σταθερά ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων αS ελαττώνεται όταν προσεγγίζεται σε υψηλές κλίμακες ενέργειας και αυξάνεται σε χαμηλότερες κλίμακες ενέργειας. H παράμετρος αS είναι η μοναδική ελεύθερη παράμετρος στην Λαγκρατζιανή της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής, πέραν των μαζών των κουάρκς, που προσδιορίζεται μόνο πειραματικά. Ωστόσο, η αS από μόνη της δεν συνιστά ένα μετρήσιμο φυσικό μέγεθος και ως εκ τούτου, η τιμή της θα πρέπει να συναχθεί πειραματικά από μετρήσιμα φυσικά μεγέθη που είναι ευαίσθητα σε αυτή την παράμετρο. Στην παρούσα εργασία, η μέτρηση της σταθεράς ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων υλοποιείται μέσω του μετρήσιμου φυσικού μεγέθους RΔφ. Το φυσικό αυτό μέγεθος, ορίζεται ως ο λόγος ανάμεσα στον αριθμό των γειτονικών πιδάκων σωματιδίων με εγκάρσια ορμή pT μεγαλύτερη από ένα ορισμένο κατώφλι, που συνοδεύουν ένα συγκεκριμένο πίδακα σωματιδίων και βρίσκονται εντός ορισμένου διαστήματος αζιμουθιακής απόστασης Δφ από αυτόν, διαιρεμένου με τον συνολικό αριθμό πιδάκων σωματιδίων στο γεγονός. Η μέτρηση βασίζεται σε δεδομένα από συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια 13 TeV στο κέντρο μάζας, που συλλέχθησαν από το πείραμα CMS κατά την δεύτερη περίοδο λειτουργίας του Μεγάλου Αδρονικού Επιταχυντή (2016-2018) και αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη λαμπρότητα 134.47 fb^{-1}. Οι προβλέψεις από προσομοιώσεις μέσω γεννητόρων γεγονότωνMonte Carlo που συμπεριλαμβάνουν τις διαδικασίες του καταιγισμού παρτονίων, της αδρονοποίησης και των πολυ-παρτονικών αλληλεπιδράσεων δίνουν μια μερική μόνο περιγραφή των αποτελεσμάτων. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί με ακρίβεια δεύτερης τάξης στην διαταρακτική Κβαντική Χρωμοδυναμική, διορθωμένοι για τα μη-διαταρακτικά φαινόμενα, συγκρίνονται επίσης με την μέτρηση και εντός των αβεβαιοτήτων βρίσκονται σε πλήρη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Από την εν λόγω σύγκριση, η σταθερά ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων προσδιορίστηκε με χρήση του NNPDF31 NLO πακέτου Συναρτήσεων Κατανομής Παρτονίων σε κλίμακα ενέργειας ίση με την μάζα του μποζονίου Z, στην τιμή αS(Mz)=0.1158{-0.0042}{+0.0089}, όπου τα σφάλματα περιλαμβάνουν τις πειραματικές και μη-διαταρακτικές αβεβαιότητες, τις αβεβαιότητες από τις Συναρτήσεις Κατανομής Παρτονίων και τις αβεβαιότητες κλίμακας. Επιπροσθέτως, η εξέλιξη της σταθεράς ζεύξης των ισχυρών αλληλεπιδράσεων ελέγχθηκε στην περιοχή των TeV έως και 2081 GeV, όπου παρουσίασε την αναμενόμενη από την Κβαντική Χρωμοδυναμική συμπεριφορά, χωρίς να παρατηρείται κάποια απόκλιση.