Jet Physics(Experiments)
Tatsuya Chujo
Univ. of Tsukuba
チュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」
Mar 26, 2015
理化学研究所（和光市）

Outline
1. Introduction
2. Experimental techniques to find jets
3. Experimental retests• p+p• Pb+Pb• p+Pb

4. Future directions
5. Summary

チュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」ジェットの物理（実験）, T. Chujo

2

1. Introduction

チュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」ジェットの物理（実験）, T. Chujo

Jets• Jets: a well defined object, and producedby the hard scatting of partons at the initialstage of the collision.
• A powerful probe to study the hot anddense QCD matter created in high energy
heavy ion collisions, as a “self produced
probe”.
• LHC:	
  dominantly	
  produced	
  compared	  to	
  that	  in	
  RHIC.
UA2	
  (1982)	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  Delphi	
  (1992)	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  CDF	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  

チュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」ジェットの物理（実験）, T. Chujo

4Jet and matter properties
from D. d’Enterria (QGPWS, 2008)•

Jet quenching:–

Attenuation or disappearance of the spray of hadrons (jet) due to energy
loss in the dense plasma produced by the reaction.

–

ΔE : energy loss by a particle in the medium
provides fundamental information on its properties.

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5

ria

the parton-medium cross section. Higher-order scatterings (often encoded in a

Energy loss in QGP“K-factor” ≈ 2 – 4) could well result in much larger values of q̂.
QCD example3, let us consider an equilibrated gluon plasma• the diffusion constant D, characterising the dynamics of heavy non-relativistic
and a strong coupling 's ≈ 0.5 [10]. At this temperature, theparticles (mass M and speed v) traversing the plasma, is connected, via the Eindensity is )g = 16/+2 ,(3) · T 3 ≈ 15 fm−3 (!g = 8+2 /15 · T 4
stein relations.e. 100 times denser than normal nuclear matter () = 0.15
fm−3 ).
D = 2T 2 /- = T /(M .D )(3)
1/2(LO), the Debye mass is mD = (4+'s ) T ≈ 1 GeV. The LO22themomentum
diffusion- –freethe average momentum squared gaineds section is *gg ≃ to9+'
mb. Thecoefficient
gluon means /(2mD ) ≈ 1.5
theunit-time(related to the istransport coefficient as - ≈ q̂ v) – anddium is (g = 1/()by) ≃particle
0.45 fmper(thequark mean-free-pathg *gg
drag ofcoefficient.D . colour≈ 1 fm, where CA /Cthe
9/4 is the ratio
gluon-to-quark
F =momentum
nsport coefficient is therefore q̂ ≃ m2D /(g ≃ 2.2 GeV2 /fm. Noteerical value has2.2been
obtained witha LO expression
inloss's forMechanisms
of in-medium
energyum cross section. Higher-order scatterings (often encoded in a4) could well In
resultin muchlargerof q̂. loss of a particle traversing a medium is the sum of
a generalway,
the values
total energy
4 : &E
stant D, characterising
dynamics
heavy
non-relativisticcollisionaltheandradiativeofterms= &Ecoll + &Erad . Depending on the kinematic
5 inEinM and speed v) region,
traversing
the plasma,is canconnected,
via thea (colour)chargelose energy
a plasma with temperature T mainly by
two mechanisms6 .
2
D = 2T /- = T /(M .D )(3)

• Jets and EM probes (photons):➡ Powerful tools for the study of
QGP’s properties

diffusion coefficient - – theEaverage momentum
squared gained
E-!E
r unit-time (related to the transport coefficient as - ≈ q̂ v) – andE
rag coefficient .D .

CCoolllliissiioonnaall

E!E

in-medium energy loss

E-!E

!E

1

total energy loss of a particle traversing a medium is the sum ofXtive terms4 : &E = &Ecoll + &Erad . Depending on the kinematic (medium)5arge can lose energy in a plasma with temperature T mainly by
Fig. 3. Diagrams for collisional (left) and radiative (right) energy losses of a quark of energy
E traversing a quark-gluon medium.

E-!E

•
!E

!E

E

RRaaddiiaattiivvee

Collisional energy loss through elastic scatterings with the medium constituents(Fig. 3, left) dominates at low particle momentum. The average energy loss in

E

E-!E

2

3 For unit conversion, multiply by powers of ! c ≃ 0.2 GeV fm (other useful equalities:

10 mb = 1 fm2 , and 1 GeV−2 = 0.389 mb).

X
respectively(medium)if the particle interacts with the medium magnetic field, if its velocity is greater

4 In addition, synchrotron-, Čerenkov- and transition-radiation energy losses can take placethan the local phase velocity of light, or if it crosses suddenly from one medium to another.
ollisional (left) and Also,radiative(right)energy losses
a quarkof energy
plasmainstabilities
may oflead
to energy
losses. Yet, those effects – studied e.g. in [11,uon medium.
12, 13, 14] for QCD plasmas – are generally less important in terms of the amount of E .

E

2
C
q̂
L
S R

ppQQCCDD• Dominant energy loss is gluon radiationloss
5 Note that if the energy of the particle is similar to the plasma temperature, E ∼ O(T ), theparticle can also gain energy while traversing it.

Note thatthe separation
is notso clear-cut
since the diagrams assume well-defined asympgy loss through 6elastic
scatterings
with themediumconstituents
totic outstates, but theparticles
minates at low particle
momentum.
Theoutgoingaverageenergymay
lossstillin be in the medium and further rescatter.

, multiply by powers of ! c ≃ 0.2 GeV fm (other useful equalities:
1 GeV−2 = 0.389 mb).
tron-, Čerenkov- and transition-radiation energy losses can take placearticle interacts with the medium magnetic field, if its velocity is greater
velocity of light, or if it crosses suddenly from one medium to another.
lities may lead to energy losses. Yet, those effects – studied e.g. in [11,plasmas – are generally less important in terms of the amount of Eloss .
gy of the particle is similar to the plasma temperature, E ∼ O(T ), then energy while traversing it.
tion is not so clear-cut since the diagrams assume well-defined asymphe outgoing particles may still be in the medium and further rescatter.

✓ ddEE//ddxx  mmeeaass..  →MMaatttteerr  pprrooppeerrttiieess,,  jjeett  ttoommooggrraapphhyy

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2. Jet measurements
basics (experiment)

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ATLAS jet measurement
ATLAS: Wide rapidity coverage by Calorimeters

Muon |η| < 2.7
E/H Cal|η| < 4.9

Sillicon pixel |η| < 2.5
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CMS jet measurement
EM and Hadron calorimeters
photons, isolation
Pb

Inner tracker:
charged particles
vertex, isolation

solenoidPb

Muon|η|< 2.4

HCAL
ECAL
Tracker|η|< 5.2

Calojet|η|< 3.0|η|< 2.5

Particle Flow Jet (track pT> 0.9GeV/c)

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ALICE jet measurement|η|<0.7, 1.4 < φ < π, EMCal:
Neutral (γ) constituents|η|<0.9,TPC & ITS (sillicon tracker)
Charged particles
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10Full and charged jets
1000

Charged + γ
Charged800

Leading charged particle

600

400

200

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90
100
Econe
[GeV]
T

Reconstructed energy

ta
tio

n

Total jet energy is fixed.
fluctuation of neutral play significant role

en

EJET
Fr
a

– Used by ALICE because oflimited acceptance of EMCal

100 GeV jets (particle level)gm• Full jets: charged + neutral
particles (except neutrinos)– Hadronic + Electromagnetic
Calorimetry(ATLAS)– + tracking (particle flow; CMS)
– Tracking + EMCal (ALICE) w/o
neutrons, anti-neutrons• Charged jets: only charged particles

Counts / 2 GeV

1200

Charged(2/3)~15@100Gev
Neutral(1/3)~7@100Gev

EJET=ECHARGED+ENEUTRAL
M. van Leeuwen (Heavy Ion Cafe 2014), modified

dECHARGED = -dENEUTRAL

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11Jet finding algorithms
Resolution parameter R

1. Cone algorithm:
–
–

◆
◆

Simple geometric motivation
Split/merging procedure for overlapping
cone
UA1
SIS cone•
Seedless Infrared Safe Cone algorithm•
insensitive to soft radiation

2. Sequential recombination
algorithm:––◆◆

Cluster pairs of objects close in relative pT
Define “distance” between pairs
kT algorithm
Starting from low pT particle••
Standard algorithm for BG estimation
anti-kT algorithm
Starting from high pT particle••
Standard algorithm in HIC

R=

2(Δη) + (Δφ )

2

Jet
€

outgoing parton
Hard scatter

KT	
  jet

Cone	
  jet	  Anti-­‐kT	
  jet

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12Jet reconstruction algorithms
Cacciari, Soyez, Salam (2008)

kT, R=1

Cam/Aachen, R=1

φ

φ
y

y
anti-kT, R=1

SISCone, R=1, f=0.75

φ

φ
y

y

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Detector corrections

Standard practice:• Charged jets are corrected to charged jets at
the particle level– main effect: tracking efficiency• Full jets are corrected to full jets at the particle
level– Calorimetric jets: HCal response– Tracking+EMCal: Unmeasured hadrons(neutrons, K0L, tracking efficiency)

Probability/Bin(0.04)

Definitions:
Particle level: as generated by event generator, e.g. PYTHIA.
Detector level: as reconstructed (PYTHIA+detector simulation)
0.4
0.35

ALICE simulation
partp(GeV/c )T,ch jet

0.3
0.25
0.2
0.15

30 - 40
50 - 60
70 - 80
Anti-k T R = 0.3
p track > 0.15 GeV/ c
T

0.1
0.05
0
-1
ALI−PUB−64226

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

(p det - p part )/p partT,ch jetT,ch jetT,ch jetM. van Leeuwen (Heavy Ion Cafe 2014), modified

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Jets at LHC, large soft backgroundϕη

Clear jet peaks, but a lot of uncorrelated “soft” background
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PbPb jet backgroundJet finding illustration

M. van Leeuwen (Heavy Ion Cafe 2014), modified

Background density vs multiplicity

Cacciari et al

η-ϕ space filled with jets
Many ‘background jets’

Background contributes up to ~180 GeV per unit area
Subtract background:pTsub, jet = pTraw, jet − ρ A

Statistical fluctuations remain after subtraction
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Background jets
Raw jet spectrum
Event-by-event background subtracted

Low pT: ‘combinatorial jets’- Can be suppressed by requiring
leading track- However: no strict distinction at low
pT possible

Next step: Correct for backgroundfluctuations and detector effects by
unfolding/deconvolution

M. van Leeuwen (Heavy Ion Cafe 2014), modified

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17Removing the combinatorial jets
Raw jet spectrum

Fully corrected jet spectrum
ALICE arXiv:1311.0633

Correct spectrum and remove combinatorial jets by unfolding

Results agree with biased jets: reliably recovers all jets and removed bkg
M. van Leeuwen (Heavy Ion Cafe 2014), modified

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leading and sub-leading jet

Subleading Jet
pT2

Leading Jet
pT1

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3. Experimental results

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Experimental jet observables• Single jet pT spectrum

Dh|k(z), z = ph/pk:• Fragmentation function (FF)• Jet RAA or RCP (central-to-peripheral ratio)• di-jet energy imbalance AJ• γ-jet correlations• b-tag jet• …

as a function of collision system (pp, PbPb, pPb, centrality,
rapidity, …) for full / charged jets.

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p+p

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Jet in pp (full jet)

• Good agreement with NLO calculations• Jet transverse energy profile: also agree with NLO calc.
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Fragmentation Function (charged jet, pp)
arXiv:1411.4969

jet pT

Hump-back plateau, approximate scaling at high z
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Pb+Pbチュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」ジェットの物理（実験）, T. Chujo

Full jet comparison: RAA

ALICE: Allow complementarymeasurement at low pT jet
Medium is opaque for jets up
to jet pT ~ 3000 GeV/c

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Comparing hadrons and jets
R CP

2 Ch. particles
Jets
1.8
ALICE
ALICE Ch. Jets R =0.3
1.6
(0-10%)/(50-80%)(0-10%)/(50-80%)
CMS
ATLAS Calo Jets R =0.3
1.4
(0-5%)/(50-90%)(0-10%)/(60-80%)
1.2
1Pb-Pb s NN=2.76 TeV
0.8
0.6
0.4
0.2
0
102
10
jet
track
p
, p (GeV/c )T
TSuppression of hadron (leading fragment) and jet yield similar
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Jet spectra in p-p, Pb+Pb (ATLAS)
pp 2.76 TeV

Pb-Pb 2.76 TeV• ATLAS: in different y and centrality, up to p < 400 GeV
T

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Jet RAA: centrality and y dep.
• Jet R vs p and y.
• Factor of ~2AAT| y | < 2.1

suppression up to jet
pT of 400 GeV• Slow increase withincreasing jet pT, mayvary with centrality

0.3 < | y | < 0.8

1.2 < | y | < 2.1

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Jet RAA: centrality and y dep.
Centrality dep.

• R monotonicallyAAdecreases vs Npart• R ~0.8 in 60-80%,• R ~0.4 in 0-1% atAAAAlower jet pT• No significant

dependence on rapidity
observed

y dep.

• Even though both

spectrum shape and q/
g fractions vary with y

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30Jet Fragmentation in PbPb
centralR= 0.4z = ph/pparton

peripheral• Ratios of D(z) vs centrality, using baseline peripheral (60-80%)• In addition to features previously seen (modification of small z (low pT)),
indication of an enhancement at large z

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Di-jet energy imbalance
CMS, PRC 84, 024906 (2011)

1) Large energy imbalance isobserved in central Pb-Pb.

ATLAS, PRL, 105 (2010) 252303

pT,1: leading jet
pT,2: sub-leading jet2) Large AJ : low momentum
particle (< 4 GeV/c) emitted
at large angle on away side.
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Energy balance by low pT particle at large angle

Slide from Y. Tachibana (ATHIC 2014)

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γ-jet: Eγ as a calibrated jet energy

RJγ : fraction of photons with
jet partner (jet quenching)γ-jet in Pb-Pb
RJγ : fraction of photons with jet
partner

CMS, Phys. Lett. B 718 (2013) 773

Npart• γ as a calibrated probe of jet energy.
• significant change in R , <x > compared to PYTHIA and pp. 35
Jγ

Jγ

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p+Pb

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RAA±
for h and jet in p-Pb

Charged hadron

Jet (charged)• Unmodified for charged hadron and jet in pPb.
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pPb

inclusive jet

RAA or RpPb

RAA or RpPb

RpA & RAA for b jets

pPb

b-Jet

1

PbPb 0-5%

0

•
•
•

PbPb 0-5%

First measurement of b-jet suppression
Observe b jet (~quark jet) RAA consistent with inclusive jet(~gluon jet) RAA
Where is the quark/gluon difference?

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4. Future directions

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PHENIX実験 High-pT 化
High-pT 化
ジェット測定強化重クォーク測定強化• 測定器の新規建設
PHENIX → sPHENIX• 日本が建設を主導する検出器：✓ シリコン飛跡検出器✓ プレシャワー検出器
ジェット、重クォーク測定から、RHICエsPHENIX実験: 総額$20M-30M

ネルギーでのQGP中でのエネルギー損失

arXiv:1207.6378(輸送係数)の温度依存性を決定
40

ジェット・フォトンで探るQGP物性 (LHC-Run-2)
1.jet-jet (di-jet), γ-jet, h-jet 測定• パートン衝突位置の決定、エネルギー損
失の通過距離依存性• パートンエネルギー損失機構の解明
2.jet エネルギ損失とソフトハドロン生成• QGPの媒質応答

5-1C$+(&/8%&V%4$A#&

ジェットのエネルギー損失とソフトハドロン生成の様子• グルーオン衝撃波→EOS 決定の可能性

ALICE Run-2:_8%+&41%.&/8%&./-1+()0&<1AI)%4&CA)9&D)1S%-&#1#%+/6#&IGF&• 高統計（ダイ）ジェットサンプルが不可欠に /-"+.$61+&/1&"&G%"9)0&<1AI)%4&I-1C%&D=$(=%-&#1#%+/6#&*TFc&• DCal(Run-2 に新規導入) + PHOS:ジェットLevel-1 トリガー導入（筑波大）

ジェットが落としたエネルギーによるソフトハドロン生成.
状態方程式により、放出角度が変化. Y. Tachibana, T. Hirano
41 (2014)質問群（１）• QGP中でのパートンエネルギー損失の質量依存性について、特にグルーオン制動放射(dead cone effectなど)について• ジェットとQGP媒質応答、EOS, 音速との関係• jetで測ることのできることについて 詳しく教えてもらいたいです。
• di-jet aymmetryを理解する試みはどういうのがあるのか。
• 高エネルギー領域でのジェットイベント測定に期待される成果チュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」ジェットの物理（実験）, T. Chujo42

質問群（２）• ハードプローブとQGP中でのエネルギー損失機構について• ハードな散乱とはどういうものなのでしょうか• jetがQGP中でどのようにエネルギーを失うのか

チュートリアル研究会「重イオン衝突の物理：基礎から最先端まで」ジェットの物理（実験）, T. Chujo43

質問群（３）「実験に関する質問」• LHC、RHICではそれぞれ何が測定可能な量なのか。 各実験グループがそれぞれ何を測るのに向いているのか• 実験や理論の進展を踏まえ、次に何を測定すれば、何が分かるのか？何を測ることが最重要なのか?
• ２０年後の展望• 重イオン衝突で用いられるのはなぜ金原子なのでしょうか

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44Summary• Jet: a powerful tool to study QGP.
• well known self generated calibrated probe• LHC: full jet reconstruction, quenched jet in Pb+Pb, FF modified, large angle low pT emission.
• Future directions:• Jet - QGP medium response• “T” dep. of QGP properties, probed by jet• sPHENIX vs. LHC experiments
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