[論文レビュー] LHC Physics Potential vs. Energy

Chris Quigg|ArXiv.org|Aug 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、LHCの14 TeV未満のビームエネルギーにおける物理学的探査可能性を、グルーオン-グルーオン、クォーク-反クォーク、およびクォーク-クォーク反応のパートンフラクタル luminosity を分析することで評価している。14 TeV未満のエネルギーで運転すると、特に高質量粒子の探査可能性が著しく低下することが示され、初期LHC運用におけるエネルギーと luminosity のトレードオフを、luminosity比を用いて定量的に示している。

ABSTRACT

Parton luminosities are convenient for estimating how the physics potential of Large Hadron Collider experiments depends on the energy of the proton beams. I present parton luminosities, ratios of parton luminosities, and contours of fixed parton luminosity for $gg$, $u\bar{d}$, and $qq$ interactions over the energy range relevant to the Large Hadron Collider, along with example analyses for specific processes.

研究の動機と目的

• LHCを14 TeVの設計エネルギー未満で運転することによる、新しい物理学の探査可能性への影響を評価すること。
• Tevatronのプロトン-反プロトン衝突と比較して、さまざまなエネルギーにおけるプロトン-プロトン衝突の相対的物理学的探査可能性を定量化すること。
• 完全なモンテカルロシミュレーションを用いずに、さまざまなビームエネルギーにおける信号およびバックグラウンド率を推定するための、パートン luminosity を用いたフレームワークを提供すること。
• LHCが特定の過程についてTevatronの探査可能性を上回り始めるエネルギー閾ルを同定すること。
• 初期LHC運用を支援するため、主要な物理学チャネルにおいて低エネルギーで運転することによる luminosity コストを推定すること。

提案手法

• 有効衝突率を推定するために、$ \frac{\tau}{\hat{s}} \frac{d\mathcal{L}_{ij}}{d\tau} = \frac{\tau/\hat{s}}{1+\delta_{ij}} \int_{\tau}^{1} \frac{dx}{x} \left[ f_i^{(a)}(x) f_j^{(b)}(\tau/x) + f_j^{(a)}(x) f_i^{(b)}(\tau/x) \right] $ で定義されるパートン luminosity 形式を用いる。
• CTEQ6L1の一次的パートン分布関数を用いて、$gg$、$u\bar{d}$、および $qq$ 衝突の luminosity を $\sqrt{s} = 2$ から $14$ TeV の範囲で計算する。
• LHCの $\sqrt{s} = 7$、$10$、および $14$ TeV とTevatronの $2$ TeV の間で luminosity 比を比較し、相対的探査可能性を評価する。
• 固定されたパートン luminosity の等高線図を生成し、各 $\sqrt{s}$ における到達可能な有効 $\sqrt{\hat{s}}$ を可視化することで、物理学的探査可能性の迅速な比較を可能にする。
• luminosity 比を用いて、Tevatronの感度に一致させるために必要な統合 luminosity を、$W^\prime$ およびトップクォーク対生成に対して推定する。
• パートン luminosity の傾向に基づいて、$gg \to t\bar{t}$、$q\bar{q} \to W^+W^-$、および $qq \to$ ジェットといった主要過程のスケーリング行動を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeVではなく7 TeVのビームエネルギーでLHCを運転すると、グルーオン融合によるトップクォーク対生成率はどの程度低下するか？
• RQ2 どのエネルギーでLHCが、$W^\prime$ ボソンのような高質量共鳴状態について、Tevatronの探査可能性を上回り始めるか？
• RQ3 $u\bar{d}$ および $qq$ 衝突のパートン luminosity はビームエネルギーにどのように依存するか？ これは $W/Z$ ボソンおよびジェット生成にどのような意味を持つのか？
• RQ4 14 TeVでの $t\bar{t}$ 生成率に一致させるために、$\sqrt{s} = 7$ TeVでどの程度の luminosity 増幅が必要か？
• RQ5 ビームエネルギーに応じて、バリオンクォークとグルーオンから始まる過程に対する相対的感度はどのように変化するか？ これは初期物理学計画にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 14 TeVではなく $\sqrt{s} = 7$ TeVで運転すると、$gg \to t\bar{t}$ の生成率は約6分の1に低下し、同じサンプルを収集するには約6倍の統合 luminosity 必要となる。
• $M_{W^\prime} = 0.8$ TeV の $W^\prime$ ボソンでは、$\sqrt{s} = 7$ TeVでの生成率は14 TeVの約30分の1であり、Tevatronの感度に一致させるには約45 pb⁻¹ の luminosity が必要となる。
• $\sqrt{s} = 10$ TeV では、$gg \to t\bar{t}$ の生成率は14 TeVの2.3倍小さく、設計エネルギー未満で運転する場合の顕著なペナルティを示している。
• $M_H \gtrsim 140$ GeV の $W^+W^-$ および $ZZ$ バックグラウンド過程では、$u\bar{d}$ luminosity 比が、それぞれ $\sqrt{s} = 7$、$10$、$14$ TeV でTevatronに対して4.8、7.3、10.7の増幅を示している。
• $\sqrt{\hat{s}} \approx 1$ TeV の高運動量ジェット生成では、LHCの $qq \to$ 2ジェット生成率は、$\sqrt{s} = 2$ TeV のTevatronに対して340倍の増幅を示している。
• $\sqrt{\hat{s}} = 4$ TeV では、$\sqrt{s} = 7$ TeVでの $qq$ luminosity は14 TeVの18%にとどまり、設計エネルギー未満で運転する場合、高質量のカラード状態の探査可能性が急激に低下することを示している。