[論文レビュー] Forward physics with tagged protons at the LHC: QCD and anomalous couplings

C. Royon|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHC実験におけるタグ付きプロトンを用いて、二重ポメロン交換過程におけるダイジェットおよびガンマ＋ジェット生成を通じて、ポメロンのグルーオンおよびクォーク構造を調べる手法を提案する。これにより、QCDの進化およびポメロンの普遍性に感度を示す。また、異常なW/Z/γ結合定数および中央排他的過程を通じたヒッグス粒子生成の探索も行い、特にダイジェット質量比観測量を用いて高運動量分率におけるグルーオン密度に高い感度を示す。さらに、高度な検出器を用いて10 psの時間分解能を達成する可能性も示唆されている。

ABSTRACT

We present some physics topics that can be studied at the LHC using proton tagging. We distinguish the QCD (Pomeron structure, BFKL analysis...) from the exploratory physics topics (HIggs boson, anomalous couplings between photons and $W/Z$ bosons

研究の動機と目的

• HERAで測定されたポメロンのグルーオンおよびクォーク成分をLHCで二重ポメロン交換過程におけるダイジェット生成を用いて、epおよびpp衝突間のポメロン構造の普遍性を検証すること。
• 二重ポメロン交換イベントにおけるダイジェットおよびガンマ＋ジェット生成を用いて、ポメロンのQCD進化を制約すること。
• 中央排他的生成を通じて、ヒッグス粒子生成や光子とW/Zボソン間の異常結合定数のようなレアプロセスを探索すること。
• バックグラウンド抑制および排他的イベント同定のため、高精度時間分解能および空間分解能を持つプロトンタグ検出器の開発と検証をすること。
• ダイジェット質量比分布を用いて、βが大きい領域におけるポメロングルーオン密度の高感度測定を可能にすること。

提案手法

• 単一フラグメンテーション、二重ポメロン交換、二光子交換を含むディファラクティブ過程をシミュレートするために、フォワードフィジックスモンテカルロ（FPMC）ジェネレータを用いる。
• ATLASでは210 m、CMSでは220 mでプロトンをタグ付けし、排他的イベントの同定およびディファラクティブ質量の測定に用いる。
• ジェットの横方向運動量（pT）およびダイジェット質量比を関数としてダイジェット断面積を解析し、ポメロン内のグルーオン密度を調べる。
• グルーオン分布への感度を高めるために、√(β₁β₂)として定義されるダイジェット質量比を用いる。
• 10 ps分解能を達成するため、マイクロチャネルプレートフォトマルチプライヤー（MCP-PMT）と結合した石英チェレンコフ検出器に基づく高速時間測定システムを導入する。
• 波形サンプリングを用いるSAMPIC読み出しチップを開発し、1 GHz帯域幅、10 ps未満の時間分解能、1チャネルあたり約10ドルの低コストを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HERAで測定されたポメロンのグルーオン密度が、LHCにおける二重ポメロン交換におけるダイジェット生成を用いて確認可能か？
• RQ2 高β値領域におけるポメロンのグルーオン密度の変動に対して、ダイジェット質量比分布はどの程度感度を示すか？
• RQ3 210–220 mでのプロトンタグ付けは、排他的ヒッグス粒子生成および異常結合定数の測定をどの程度向上できるか？
• RQ4 石英チェレンコフベースの検出器と高度な読み出し電子回路を用いたプロトンタグ付けにおける実現可能な時間分解能はどの程度か？
• RQ5 SAMPICチップは、高レート対応および1チャネルあたり低コストを満たしつつ、10 ps未満の時間分解能を達成可能か？

主な発見

• LHCにおけるダイジェット断面積は、ポメロン内のグルーオン密度に強く依存しており、ν = −1 から 1 の範囲で (1−β)^ν の要因でグルーオン密度を変化させた場合、測定可能な差が生じる。
• 高質量比（>0.6–0.7）領域では、異なるν値に対して明確に分離された曲線が得られ、高β値におけるグルーオン密度への強い感度が示された。
• 排他的ダイジェットイベントは、高ダイジェット質量比領域に顕著に寄与しており、ポメロングルーオン構造の観測可能性が向上した。
• QUARTICバーを用いた時間測定システムは、1バーあたり約34 psの時間分解能を達成し、8本のバーを並列に使用することで約10 psの分解能を予想できる。
• SAMPICチップは、10 ps未満の時間分解能、1 GHzの入力帯域幅、1チャネルあたり約10ドルのコストを実現する設計となっており、高レート用途に適している。
• プロトンタグと高速時間測定の組み合わせにより、イベントの頂点を制約することで、積み重ねバックグラウンドを40倍の要因で抑制可能である。