运用有效场理论精确计算喷注物理

Jets produced in the collision of quarks and gluons at high-energy colliders are bunches of collimated particles traveling along the same direction. Since the bunch is formed by successive iterative radiations from energetic quark or gluon created by short-distance interactions at the collision, studying jet allows us to access and to probe the short-distance physics at the colliders and enables us to test our understanding of the strong interaction, to probe new state of matter called quark-gluon plasma and, to identify new particles beyond the Standard Model. With development of a powerful tool called Soft Collider Effective Theory (SCET), predictions of jet production is accessible to new level of accuracy. Using the tool, we will study several jet observables such as transverse momentum dependent quantities for the processes like Drell-Yan and Higgs production via gluon fusion at the Large Hadron Collider (LHC) and such as an observable called DIS thrust at future US Electron-Ion Collider (EIC). The precision prediction of those observables can be applied to determine fundamental parameters such as the strong coupling constant and parton distribution function (PDF) and the observable for the Higgs production will provide better understanding of Standard Model Higgs production cross section.

高能对撞机上夸克和胶子对撞产生的喷注是指沿着相同方向运动的粒子束团。 由于束团是由对撞中通过短程相互作用产生的高能夸克或胶子持续不断的辐射末态构成的，可以通过研究喷注来了解粒子对撞中的短程物理和寻找被称为夸克胶子等离子体的新型物质态，进而寻找超出标准模型的新粒子。随着被称为低能对撞有效理论(SCET)这一强大工具的开发，对喷注产生的理论预言可以达到更高的精度。通过这一工具，我们可以研究几种喷注相关的可观测量，比如大型强子对撞机(LHC)上的Drell-Yan过程和通过胶子融合发生的Higgs粒子产生过程中的横动量依赖的变量，以及在未来美国电子-离子对撞机(EIC)上被称为DIS thrust的观测量。对这些可观测量的精确预言结果可以被用来约束一些基本参数比如强耦合常数和部分子分布函数；对Higgs产生的可观测量的精确预言结果可以使我们更好地理解标准模型Higgs粒子的产生截面。

高能物理对撞机中产生的强子事例主要表现为向同一方向簇射的强子束流构成的喷注，理解喷注是对撞机现象学中一个极其重要的课题。随着软共线有效理论（SCET）的发展，喷注产生的预测达到了一个新的精度。通过SCET，这项课题研究了许多喷注观测量，例如LHC中的横动量依赖观测量、DIS thrust和未来EIC中的angularity。..我们的研究主要分为三个部分：横向能量谱、非微扰贡献和采用有效理论（EFT）计算领头阶预测以及指数压低修正。在LHC Drell-Yan过程的横向能量谱中，我们因子化反应截面并对大对数重求和，再进一步得到非微扰的多强子相互作用（MPI）的简单模型，这个模型也能在理论不确定度范围内较好地与ATLAS喷注质量测量相吻合。 在EIC中，我们通过对大对数重求和得到了国际首个DIS thrust的N3LL精度预测，达到了一个新的精度。我们也率先给出了新观测量DIS angularity的NNLL精度预测，DIS angularity是一组观测量，它提供了一个系统的方法能退化到其他一些观测量，使其在事例分析中更强大。我们深入研究了DIS thrust的非微扰部分，这是相对于领头阶指数压低的修正，并得到了强耦合常数领头阶的解析结果。这个结果能在次领头阶因子化中提供重要的交叉验证。..在我们的课题中，N3LL精度的DIS thrust和NNLL精度的DIS angularity是重要的理论结果，此外，未来EIC中的部分关键数据也可以用来测定强相互作用耦合常数和PDF。特别地，对困扰已久的由不同方法给出的强耦合常数差异，这个来自EIC的测量将是及时的有价值的。同时，指数压低贡献的因子化也是提高强耦合常数精度的坚实一步。他们在未来实验中的应用是广阔的。