Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Phenomenology of Jet Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.1 Introduction to Jet Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Heavy Particle Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 W Boson Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Z Boson Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Higgs Boson Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.5 Top Quark Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.6 Kinematic Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.7 Kinematics of Vector and Higgs Boson Decays . . . . . . . . . . . 20
2.2.8 Kinematics of Top Quark Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Jet Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Sequential Clustering Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Variable R Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 XCone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 The Georgi Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Identifying Particle Decays with Jet Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Jet Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 Angularities and Energy Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.3 Jet Grooming and N-Prong Taggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.4 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.5 Pileup Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5 (Semi-)Analytical Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.1 Perturbative Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.2 Non-perturbative Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6 Event Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.1 Parton Distribution Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.2 Matrix Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.3 Parton Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6.4 Matching Matrix Elements to Parton Showers . . . . . . . . . . . . 55
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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Phenomenology of Jet Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.1 Introduction to Jet Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.2 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Heavy Particle Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 W Boson Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.3 Z Boson Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Higgs Boson Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.5 Top Quark Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.6 Kinematic Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.7 Kinematics of Vector and Higgs Boson Decays . . . . . . . . . . . 20
2.2.8 Kinematics of Top Quark Decays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Jet Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.1 Sequential Clustering Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.2 Variable R Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 XCone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 The Georgi Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.4 Identifying Particle Decays with Jet Substructure . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 Jet Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 Angularities and Energy Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.3 Jet Grooming and N-Prong Taggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.4 Other Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.5 Pileup Mitigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5 (Semi-)Analytical Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.1 Perturbative Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5.2 Non-perturbative Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6 Event Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.1 Parton Distribution Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.2 Matrix Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6.3 Parton Showers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6.4 Matching Matrix Elements to Parton Showers . . . . . . . . . . . . 55
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