[論文レビュー] Central exclusive diffractive Higgs boson production in hadron-nucleus and nucleus-nucleus collisions at the LHC

E. Levin, J. Miller|ArXiv.org|Jan 23, 2008

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるハドロン-ニュクレオンおよびニュクレオン-ニュクレオン衝突における中心的排他的な分光的ヒッグスボソン生成が、グルーオン-グルーオン融合に比べて著しく高い生存確率を示すため、光子-光子融合によって支配されていることを示している。断面積は陽子-ゴールドで0.64 pb、ゴールド-ゴールドで3.9 nbに達し、バックグラウンドが最小限に抑えられる理論的に計算可能な経路としてヒッグスボソン検出に有効である。

ABSTRACT

In this paper, it is shown that in hadron-nucleus and nucleus-nucleus collisions, the main source for central exclusive diffractive Higgs production is photon-photon fusion. At the LHC energy, the total cross section for this process is about 0.6 pb (for proton-gold scattering), and 3.9 nb (for gold-gold collision) while the gluon-gluon fusion leads to the value of the cross section for CED Higgs production which is about 0.1 nb and 3.9 pb respectively.

研究の動機と目的

• LHCエネルギーにおけるハドロン-ニュクレオンおよびニュクレオン-ニュクレオン衝突における中心的排他的な分光的ヒッグスボソン生成の実現可能性を評価すること。
• 核衝突におけるグルーオン-グルーオン融合と光子-光子融合によるヒッグス生成断面積を比較すること。
• 生存確率がバックグラウンドプロセスを抑制し、信号の可視性を向上させる役割を定量化すること。
• 生存確率が計算可能であるという点で、光子-光子融合が支配的メカニズムとして理論的に堅牢であることを評価すること。
• 陽子-陽子衝突に比べ、核衝突が中心的排他的なプロセスによるヒッグスボソン検出に優れた環境を提供することを確立すること。

提案手法

• 核衝突における中心的排他的な分光的プロセスの生存確率を計算するために、Glauberの多重散乱アプローチを用いる。
• 核密度プロファイル（Wood-Saxonパラメータ化）を用いた、衝突パrameterに依存する透過率モデルを用い、陽子-ゴールドおよび核-核系における指数減衰因子exp(−Ω(b))を計算する。
• γγ → ヒッグスおよびgg → ヒッグスプロセスのハード振幅A_H(b)を計算し、γγ融合がgg融合に比べてb依存性がより平坦であることを示す。
• 生存確率の公式⟨|S²|⟩ = ∫ d²b A_H(b) exp(−Ω(b)) / ∫ d²b A_H(b) を適用し、有効な断面積の抑制を計算する。
• 全陽子-陽子断面積（110 mb）および核厚さ関数を用い、ゴールド核に対してΩ(s,b) = σ_tot × T_A(b)を計算する。
• グルーオン融合ではA²に比例して、光子融合ではQ_A² × ⟨|S²|⟩に比例してpp断面積をスケーリングする。ここでQ_Aは核内の陽子数である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ陽子-ゴールドおよび核-核衝突における中心的排他的なヒッグス生成がグルーオン-グルーオン融合ではなく光子-光子融合によって支配されているのか？
• RQ2 生存確率が核衝突における非排他的プロセスを抑制し、ヒッグス生成の信号を強化する役割は何か？
• RQ3 γγ融合とgg融合のハード振幅が示す異なるb依存性が、核環境における生存確率にどのように影響するか？
• RQ4 核衝突における中心的排他的なヒッグス生成断面積は、実験的に測定可能レベルに達するか？
• RQ5 陽子-陽子衝突に比べ、核衝突における光子-光子融合によるヒッグス生成の理論的不確実性はどの程度低減可能か？

主な発見

• 陽子-ゴールド衝突におけるγγ → ヒッグス融合の生存確率は約0.8である一方、gg → ヒッグス融合では無視できるほど低い（約10⁻⁶）であり、これはγγハード振幅のb依存性が平坦であるためである。
• LHCにおける陽子-ゴールド衝突におけるγγ融合による中心的排他的ヒッグス生成断面積は0.64 pbと推定され、グルーオン-グルーオン融合の0.1 nbに比べ顕著に高い。
• ゴールド-ゴールド衝突では、γγ融合断面積は3.9 nbに達するが、gg融合断面積は3.9 pbにとどまる。これは、後者における生存確率が極端に抑制されているためである。
• ゴールド-ゴールド衝突におけるγγ融合の増幅要因はQ_A⁴スケーリングのおかげで約3.9×10⁷に達し、これが支配的メカニズムとなっている。
• γγ融合の理論的断面積はモデル依存性がなく計算可能であり、LHCにおけるヒッグスボソン検出の強固で有望なチャネルである。
• 核衝突は生存確率が高く、測定可能な断面積を有するため、中心的排他的な分光的プロセスによるヒッグスボソン検出に好都合な環境を提供する。