Utilisation optimale des jets au LHC et aux collisionneurs futurs – OptimalJets

La pierre de voûte de notre projet est l'utilisation des principes premiers de la théorie des interactions fortes. C'est cette approche, à contraster avec l'approche empirique actuelle, basée sur des simulations numériques qui nous permettra de maîtriser les effets physiques dominant la performance des outils de sous-structure de jets. Une fois cette compréhension de base obtenue, nous pourrons alors nous aventurer à fournir de nouveaux outils qui utilisent ces ingrédients fondamentaux de manière optimale

En pratique, le projet se concentrera sur deux systèmes: les désintégrations à deux coeurs (pertinents pour l'étude des bosons électro-faibles comme les bosons W et Z ou le boson de Higgs) et les désintégrations à trois coeurs (pertinents pour l'étude des quarks top boostés).

Pour chaque cas, nous allons organiser notre étude en trois étapes. Permièrement nous gagnerons une connaissance de séléments de base en étudiant des outils existants à partir des principes premiers de interactions fortes. Deuxièmement nous utiliserons cette connaissance afin de développer de soutils nouveaux ayant une meilleure performance. Enfin, lorsque cela sera possible, nous fournirons des calculs précis en QCD avec des incertitude ssous contrôle.

Chaque fois que cela sera possible, nous explorerons également les conséquences de nos travaux sur les doùmaines connexes au jets boostés:

A ce jour, nous avons deja obtenu de nombreux resultats dans le cadre du projet OptimalJets.

En ce qui concerne les jets a deux coeurs, nous avons largement atteints les objectifs fixes dans le projet initial: nous avons etudie des observables de base [1], proposes deux nouvelles metodes [3,4] et fourni de nombreux calculs de precision [5,7,12].

En ce qui concerne l'etude du quark top, nous avons finalise la notre premiere etude [11] et nous travaillons actuellement sur une extension prometteuse.

Nous avons obtenus egalement de nombreux resultats dans plusieurs domaines de la physique de jets et de leur sous-structure des jets:
- nous avons contribue a une etude systematique de la separation des jets de quarks et de gluons [6],
- nous avons etudie la limite des jets a petit rayon [2],
- nous avons introduit une nouvelle technique de «grooming« ayant une application potentielle tres generale appelee Recursive SoftDrop [9],
- nous avons introduit une methode puissante pour caracteriser la dynamique interne des jets [10]. Cette methode est actuellement etudiee par les experiences du LHC et nous travaillons activement a plusieurs extensions.
- nous avons travaille sur le developpement des jets en collisions d'ions lourds [8].
- enfin, nous avons contribue a l'ecriture d'une revue sur la sous-structure des jets [13]

Il est egalement a souligner que nous avons organise la conference BOOST a Paris en juillet 2018.

Pour la duree restante du projet, nous prevoyons essentiellement de finaliser les etudes en court.

Ceci inclut l'etude des quarks top boostes en imposant a la fois d'avoir trois coeurs energetiques et uhe contrainte additionelle sur la aradiation.

Nous etudions egalement plusieurs resultats lies a l'approche «Lund Plane« developpee dans [9] et qui s'avere tres prometteuse.

De plus, nous sommes en tain de finaliser une etude d'une potentielle mesure de alphas au LEP basee sur SoftDrop. Une extension de nos predictions theoriques au NNLL est prevue.

Dans un cadre different, nous etudions cetained proprietes perturbatives de la section inclusive de jets.

Enfin, nous etudions activement les observables de sous-structure en collisions d;ions lourds. Des resultats sur «zg« sont attendus prochainement.

[1] Jet shapes for boosted jet two-prong decays from first-principles, Mrinal Dasgupta, Lais Schunk, Gregory Soyez, JHEP 1604 (2016) 166 [arXiv:1512.00516]
[2] Inclusive jet spectrum for small-radius jets, Mrinal Dasgupta,. Frédéric A. Dreyer, Gavin P. Salam, Gregory Soyez, JHEP 1606 (2016) 057 [arXiv:1602.01110]
[3] Improved jet substructure methods: Y-splitter and variants with grooming, Mrinal Dasgupta, Alexander Powling, Lais Schunk, Gregory Soyez, JHEP 1612 (2016) 079 [arXiv:1609.07149]
[4] Dichroic subjettiness ratios to distinguish colour flows in boosted boson tagging, Gavin P. Salam, Lais Schunk, Gregory Soyez, JHEP 1703 (2017) 022 [arXiv:1612.03917]
[5] A study of jet mass distributions with grooming, Simone Marzani, Lais Schunk, Gregory Soyez, JHEP 1707 (2017) 132 [arXiv:1704.02210]
[6] Systematics of quark/gluon tagging, Philippe Gras et al., JHEP 1707 (2017) 091 [arXiv:1704.03878]
[7] The jet mass distribution after Soft Drop, Simone Marzani, Lais Schunk, Gregory Soyez, Eur.Phys.J. C78 (2018) no.2, 96 [arXiv:1712.05105]
[8] Vacuum-like jet fragmentation in a dense QCD medium, P. Caucal, E. Iancu, A.H. Mueller, G. Soyez, Phys.Rev.Lett. 120 (2018) 232001 [arXiv:1801.09703]
[9] Recursive Soft Drop, Frédéric A. Dreyer, Lina Necib, Gregory Soyez, Jesse Thaler, JHEP 1806 (2018) 093 [arXiv:1804.03657]
[10] The Lund Jet Plane, Frédéric A. Dreyer, Gavin P. Salam, Grégory Soyez, JHEP 1812 (2018) 064 [arXiv:1807.04758]
[11] Top tagging : an analytical perspective, Mrinal Dasgupta, Marco Guzzi, Jacob Rawling, Gregory Soyez, JHEP 1809 (2018) 170 [arXiv:1807.04767]
[12] Computing N-subjettiness for boosted jets, Davide Napoletano, Gregory Soyez, JHEP 1812 (2018) 031 [ arXiv:1809.04602]
[13] Looking inside jets: an introduction to jet substructure and boosted-object phenomenology, Simone Marzani, Gregory Soyez, Michael Spannowsky to appear in Springer Lecture Notes, arXiv:1901.10342

Le Large Hadron Collider (LHC) au CERN explore les frontières de la physique des particules au moyen de collisions proton-proton. Dans ces collisions à haute énergie, les quarks et les gluons sont produits abondamment. Ce sont des objets clés pour sonder les interactions fondamentales et découvrir de la nouvelle physique. En pratique, ces quarks et gluons sont observés sous la forme de cascades collimatées de particules, appelées jets. Nous avons établi le cadre actuel de reconstruction des jets au LHC.

Le LHC accédant à des énergies toujours plus hautes, des objets massifs tels que les bosons W/Z, le boson de Higgs ou le quark top peuvent être produits boostés, i.e. à des énergies bien supérieures à leur masse. Si un tel objet se désintègre via l'interaction forte, les produits de cette désintégration seront collimatés et il sera vu comme un seul jet. Ceci constitue un changement complet de paradigme où un "jet" peut maintenant provenir d'autre chose qu'un quark ou un gluon. Pour maximiser le potentiel du LHC, il est primordial d'être à même d'isoler les rares jets boostés provenant de la désintégration d'objets massifs, des quarks et gluons bien plus fréquents. Pour ce faire, on exploite la structure interne des jets.

L'étude de la sous-structure des jets a connu un essor important lors du Run I du LHC. De nombreux outils ont été proposés, principalement par la communauté théorique, et de nombreuses validations de ces outils ont été effectuées du côté expérimental. Aujourd'hui, on sait donc que les techniques de sous-structure de jets fonctionnent et aident à identifier les objets boostés.

A l'heure actuelle, les méthodes proposées sont testées numériquement, sur base d'événements simulés par des générateurs Monte Carlo. Ce cadre empirique souffre de sévères limitations: il n'explique pas pourquoi une méthode marche mieux qu'une autre; l'exploration d'un large espace de phase des paramètres et son extrapolation sur un grand intervalle d'énergies est délicat et coûteux en temps; il ne permet pas d'estimation robuste des incertitudes théoriques; il ne fournit aucune explication des différences observées entre les simulations numériques et les données expérimentales; et, par-dessus tout, il ne donne aucun indice permettant d'améliorer les techniques existantes.

L'objectif de ce projet est de s'affranchir des ces limitations en fournissant une compréhension ab initio de la sous-structure des jets, basée sur la théorie des interactions fortes. En premier lieu, cela passe par une compréhension analytique des techniques existantes. Ensuite, nos objectifs principaux sont d'utiliser cette compréhension pour (i) développer de nouvelles méthodes, optimales, de sous-structure des jets et (ii) fournir des calculs précis, incluant une estimation des incertitudes théoriques et permettant de juger de la robustesse de chaque méthode. L'approche analytique au coeur de notre projet s'est déjà montrée très fructueuse dans les études préliminaires. Ceci signifie que notre projet est non seulement réalisable mais également très prometteur.

Au-delà de son application principale, l'identification des jets boostés, ce projet pourra également avoir des implications plus générales sur l'extraction d'une information optimale des collisions au LHC. Ceci inclut par exemple la réduction des effets de pileup ou les vétos sur les jets.

Nous fournirons aussi des implémentations numériques open-source de nos outils afin de les rendre aisément accessible par la communauté scientifique.

Au final, notre projet propulsera le domaine de la sous-structure des jets à un nouveau niveau. Il établira le cadre de ce domaine en rapide évolution pour les décennies à venir et au-delà. Cela impactera un large éventail d'analyses au LHC, améliorant ses chances de découverte de nouvelle physique. L'expérience des membres de cette équipe en physique des jets nous place en position unique pour atteindre ces objectifs.