Understanding the Structure of High-Multiplicity Jets with PYTHIA
(2025) FYSK04 20242Particle and nuclear physics
Department of Physics
- Abstract
- Strong force dynamics in the non-perturbative regime remains a poorly understood aspect of quantum chromodynamics. In collisions of heavy ions, the near-side ridge and enhanced elliptic flow are widely regarded as signatures of the collective motion of deconfined partons in a thermalized medium. On the other hand, no corresponding explanation has been found for the appearance of these signatures in smaller systems such as proton-proton collisions. A recent report by the CMS collaboration at CERN claims to have found indications of such collective effects in individual high-multiplicity jets created in proton-proton collisions, and explains them as residues from the early stages of the fragmentation process. However, the study is limited by... (More)
- Strong force dynamics in the non-perturbative regime remains a poorly understood aspect of quantum chromodynamics. In collisions of heavy ions, the near-side ridge and enhanced elliptic flow are widely regarded as signatures of the collective motion of deconfined partons in a thermalized medium. On the other hand, no corresponding explanation has been found for the appearance of these signatures in smaller systems such as proton-proton collisions. A recent report by the CMS collaboration at CERN claims to have found indications of such collective effects in individual high-multiplicity jets created in proton-proton collisions, and explains them as residues from the early stages of the fragmentation process. However, the study is limited by the fact that general claims are made using data from a very small subset of jets that are not characterized beyond multiplicity. In addition, the new in-jet coordinate system used in the analysis may not be relativistically invariant and thus not apt for quantifying collective flow. Using PYTHIA, high-multiplicity jets in proton-proton collisions are characterized and the new coordinate system is tested. Particular attention is directed to top quark jets and how their angular correlations may have influenced the CMS result. It is found that jet $p_{\rm{T}}$ is only weakly related to multiplicity while the initiating parton is very important. The angular correlations presented in the CMS study are not reproduced but the obtained azimuthal distribution is found to be unaffected by boosts along the beamline. Future studies should among other things attempt to implement reference- and background distributions in the angular correlations and investigate the very high multiplicity jets as multiplicity was found to greatly affect the angular distributions. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Materien som vi består av och kommer i kontakt med är uppbyggd av atomer med kärnor bestående av protoner och neutroner. De är exempel på hadroner, partiklar sammansatta av de fundamentala partiklarna kvarkar och gluoner. Dessa interagerar via den starka kraften, vilken likt gravitationen, elektromagnetismen och den svaga kraften är en fundamental kraft som styr utformningen av vårt universum. Under förhållandena som råder på jorden är kvarkar och gluoner alltid instängda i hadroner. Eftersom de utgör delar av hadroner brukar de gemensamt benämnas som 'partoner'. Om ett försök görs att isolera en parton så skapas istället två riktade strömmar av hadroner, så kallade 'jets'. Jets bildas vanligtvis i samband med kollisioner av partiklar,... (More)
- Materien som vi består av och kommer i kontakt med är uppbyggd av atomer med kärnor bestående av protoner och neutroner. De är exempel på hadroner, partiklar sammansatta av de fundamentala partiklarna kvarkar och gluoner. Dessa interagerar via den starka kraften, vilken likt gravitationen, elektromagnetismen och den svaga kraften är en fundamental kraft som styr utformningen av vårt universum. Under förhållandena som råder på jorden är kvarkar och gluoner alltid instängda i hadroner. Eftersom de utgör delar av hadroner brukar de gemensamt benämnas som 'partoner'. Om ett försök görs att isolera en parton så skapas istället två riktade strömmar av hadroner, så kallade 'jets'. Jets bildas vanligtvis i samband med kollisioner av partiklar, till exempel protoner, i partikelacceleratorer. I extrema förhållanden av hög energi och hadrondensitet kan hadronerna upplösas och partonerna röra sig över större ytor samtidigt som de växelverkar genom den starka kraften. Detta är ytterligare ett aggregationstillstånd av materia som kallas kvark-gluon plasma.
Bildandet av en jet och dynamiken hos partoner i kvark-gluon plasma är båda exempel på fenomen hos den starka kraften som fortfarande inte är kända i detalj. Den nuvarande teorin för den starka kraften kan inte ge exakta svar i de områdena där dessa fenomen sker, det vill säga över långa avstånd och vid höga energier. Därför kan partonernas beteenden i dessa lägen inte förklaras med grundläggande fysikaliska principer eller med exakta ekvationer. I fallet med kvark-gluon plasma har dock vissa framsteg gjorts.
Kvark-gluon plasma bildas i kollisioner av tunga atomkärnor såsom bly och guld. Tillståndet är mycket kortlivat och kan inte observeras direkt, utan syns bland annat i fördelningen av vinkelseparationer hos de hadroner som skickats ut efter att kvark-gluon plasmat kallnat och övergått till hadronisk materia. Fördelningen visar en tydlig preferens för små vinkelseparationer även för partiklar långt avskilda i rummet, vilket tyder på att partonerna i kvark-gluon plasma rör sig kollektivt och som en vätska. Samma typ av samband i vinkelfördelningen har på senare tid även observerats i mindre system såsom proton-proton kollisioner. Eftersom det är mindre troligt att kvark-gluon plasma skulle bildas i dessa system, har en grupp forskare lyft idén om att dessa korrelationer kanske bara är ett allmänt kännetecken av den starka kraften i det icke-analytiska området nämnt tidigare.
Samma forskare har nyligen kommit med en studie där de, inspirerade av denna idén, letar efter dessa signaturer i bildandet av jets. Studiens resultat indikerar att ett kollektivt flöde likt det i kvark-gluon plasma finns i jets som innehåller ett stort antal partiklar. Författarna har hittat en trend som inte återskapas i datorsimuleringar, och menar att de kan ha upptäckt ett nytt kollektivt beteende bland partonerna i det tidiga stadiet av jetbildning som inte är tillämpat i datormodellerna än. Frågan infinner sig däremot vilken typ av jets som väljs ut när de som innehåller många partiklar ska analyseras i studien och hur deras möjliga egenskaper kan påverka resultaten. Studien använder sig dessutom av ett nytt koordinatsystem för att kvantifiera det kollektiva flödet, men det är inte säkert att dessa vinkelseparationer är oberoende av vilken referensram observatören befinner sig i. Det senare gäller för det koordinatsystem som vanligtvis används för kollisioner.
Målet med denna kandidatuppsats var att med hjälp av en av modellerna som användes i studien ta reda på vilka egenskaper som karaktäriserar jets innehållande många partiklar, samt att se om fördelningarna av de nya vinkelseparationerna som presenterades i studien gick att återskapa. Det här arbetet undersökte även huruvida sambanden i vinkelseparationerna som författarna förklarade med uppkomsten av ett nytt kollektivt beteende i någon mån kunde förklaras av att det fanns sönderfallsprodukter från toppkvarkar i jetsen, vilka då skulle skilja sig från vanliga jets och troligtvis uppvisa andra vinkelkorrelationer. Till sist så testades den relativistiska invariansen hos den nya typen av vinkelseparationer genom att se om samma fördelningar erhölls i jets som färdades med olika hastigheter. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9188094
@misc{9188094,
abstract = {{Strong force dynamics in the non-perturbative regime remains a poorly understood aspect of quantum chromodynamics. In collisions of heavy ions, the near-side ridge and enhanced elliptic flow are widely regarded as signatures of the collective motion of deconfined partons in a thermalized medium. On the other hand, no corresponding explanation has been found for the appearance of these signatures in smaller systems such as proton-proton collisions. A recent report by the CMS collaboration at CERN claims to have found indications of such collective effects in individual high-multiplicity jets created in proton-proton collisions, and explains them as residues from the early stages of the fragmentation process. However, the study is limited by the fact that general claims are made using data from a very small subset of jets that are not characterized beyond multiplicity. In addition, the new in-jet coordinate system used in the analysis may not be relativistically invariant and thus not apt for quantifying collective flow. Using PYTHIA, high-multiplicity jets in proton-proton collisions are characterized and the new coordinate system is tested. Particular attention is directed to top quark jets and how their angular correlations may have influenced the CMS result. It is found that jet $p_{\rm{T}}$ is only weakly related to multiplicity while the initiating parton is very important. The angular correlations presented in the CMS study are not reproduced but the obtained azimuthal distribution is found to be unaffected by boosts along the beamline. Future studies should among other things attempt to implement reference- and background distributions in the angular correlations and investigate the very high multiplicity jets as multiplicity was found to greatly affect the angular distributions.}},
author = {{Smailagic, Emma}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Understanding the Structure of High-Multiplicity Jets with PYTHIA}},
year = {{2025}},
}