[論文レビュー] Electroweak Physics Issues at a High Energy Photon Collider

M. Baillargeon, G. Bélanger+1 more|ArXiv.org|May 23, 1994

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、将来の高エネルギー光子衝突機における電弱物理学を調査し、$γ\gamma$ 衝突を通じたヒッグス・セクターおよびベクトルボソン自己相互作用の研究可能性に焦点を当てる。偏光した光子ビームを提案し、$W_L$-に類似した状態への感度を向上させるとともに、特に $WWH$ および $W^+W^-$ 生産において背景を抑制する効果的なカットを同定する。広帯域スペクトル関数を有する状況下でも中間質量ヒッグス共鳴状態の観測可能性を評価する。

ABSTRACT

The main attractions of studying the bosonic sector of the electroweak standard model and its extensions at a future high energy photon collider are reviewed. A presentation of the laser scheme for obtaining such a collider is given where we emphasize the importance of polarised \gag spectra. The need for {\em measuring} the differential luminosities is stressed. We show that, in a large variety of processes, the yield of weak vector bosons is much higher than at the \epm mode but unfortunately, the cross sections are dominated by the transverse modes. Investigation of the physics related to the symmetry breaking sector both in $W$ and $Z$ pair production is given and contrasted with what we expect to obtain in the \epm mode and at the LHC. We reassess the issue of whether an intermediate-mass Higgs can be observed as a resonance when we have a broad spectrum that allows the simultaneous study of a host of electroweak phenomena. This investigation includes the important background of the so-called ``resolved" photon. We analyse the important issues of the mass resolution, the $b$ tagging efficiencies, and the polarisation of the beams at two typical \epm energies: 300GeV and 500GeV. New efficient cuts are found to suppress the background. The importance of $WWH$ production at $\sim$1TeV is emphasized and contrasted with other Higgs production mechanisms at both \epm and $eγ$. Finally, we examine the interesting problem of the longitudinal $W$ ($W_L$) content of the photon. A new set of polarised structure functions for the $W_L$ inside the photon is proposed. We test the validity of the ensuing effective $W$ approximation in the \ggwwht process.

研究の動機と目的

• 高エネルギー光子衝突機が電弱対称性の破れ領域を探索する可能性を評価すること。
• $e^+e^-$ および LHC モードと比較して、$\gamma\gamma$ 衝突における $W$ および $Z$ 対生成への感受性を評価すること。
• 広帯域光子スペクトルおよび解体された光子背景が存在する中で、中間質量ヒッグスボソンが共鳴状態として観測可能かどうかを検討すること。
• ビームの偏光および新たな運動量的カットを用いて、信号対背景比を最適化すること。
• 光子内に存在する長軸 $W$ ボソンのための新しい偏光構造関数を構築し、$\gamma\gamma \to WH$ におけるその妥当性を検証すること。

提案手法

• 高エネルギーで偏光した $\gamma\gamma$ 衝突を生成するためのレーザー方式を用い、微分的ランプランスの測定の重要性を強調する。
• 新しい偏光構造関数を用いて、効用場理論的手法により光子内の $W_L$ コンテンツをモデル化する。
• $\sqrt{s} = 300$ および 500 GeV における $\gamma\gamma \to W^+W^-$、$\gamma\gamma \to ZZ$、および $\gamma\gamma \to WH$ の主要過程について、詳細なモンテカルロシミュレーションを実施する。
• $W^+W^-$ および $WWH$ 終状態において特に顕著な解体光子背景を抑制するための新たな運動量的カットを導入する。
• $WWH$ および $ZZ$ 終状態におけるヒッグス信号の同定にあたり、質量分解能および $b$-タギング効率が重要な要因であることを分析する。
• ヒッグスおよびベクトルボソン自己結合測定において、$\gamma\gamma$ モードと $e^+e^-$ および LHC の感受性を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広帯域光子スペクトルおよび顕著な背景が存在する中で、中間質量ヒッグスボソンが $\gamma\gamma$ 衝突において共鳴状態として観測可能か？
• RQ2 光子内の $W_L$-に類似した内容が、$\gamma\gamma$ 衝突における電弱対称性の破れへの感受性をどのように向上させるか？
• RQ3 $\gamma\gamma$ 衝突における $W^+W^-$ および $WWH$ 終状態において、解体光子背景を抑制する最適な運動量的カットは何か？
• RQ4 ビームの偏光および微分的ランプランス測定が、$\gamma\gamma$ 衝突における電弱観測量の精度をどのように向上させるか？
• RQ5 新しい偏光構造関数を用いた場合、$\gamma\gamma \to WH$ における有効 $W$ 近似はどの程度有効であるか？

主な発見

• $e^+e^-$ モードと同等エネルギー下で $\gamma\gamma$ 衝突における $W^+W^-$ 生成断面積は上回るが、断面積は主に横方向 $W$ モードに支配される。
• 新たな運動量的カットにより、解体光子背景が顕著に抑制され、$W^+W^-$ および $WWH$ 終状態における信号の可視性が向上する。
• $\sim$1 TeV の中心系エネルギーにおける $WWH$ 生成チャンネルは、ヒッグスボソン研究の重要なチャンネルと特定され、$e^+e^-$ および LHC モードと補完的な感受性を提供する。
• 光子内に存在する $W_L$ のための新しい偏光構造関数は、長軸 $W$ 捕捉をモデル化する一貫したフレームワークを提供し、$\gamma\gamma \to WH$ における有効 $W$ 近似の妥当性が示された。
• 質量分解能および $b$-タギング効率は、$WWH$ および $ZZ$ 終状態におけるヒッグスの同定に重要であり、ビームエネルギーおよびランプランススペクトルに依存する。
• 広帯域スペクトルであっても、背景抑制およびビームの偏光を効果的に適用すれば、中間質量ヒッグスは共鳴状態として観測可能である。