[論文レビュー] Measuring light-by-light scattering at the LHC and FCC

D. d’Enterria, G. G. Da Silveira|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、陽子および lead 等の超外部衝突（UPC）を用いて、LHC および FCC における弾性光-光散乱（γγ → γγ）の測定を提案する。これは、巨大な準実効果光子フラックスを活用するものである。LHC では年間約 70 件の信号イベントが予想され、FCC では同様の検出器カット後、年間約 2,500 件に達する。信号対背景比が十分に高く、FCC では約 35 の有意水準で、この量子電磁力学的過程の初の直接観測が可能となる。

ABSTRACT

Elastic light-by-light scattering, $γγ oγγ$, can be measured in electromagnetic interactions of lead (Pb) ions at the Large Hadron Collider (LHC) and Future Circular Collider (FCC), using the large (quasi)real photon fluxes available in ultraperipheral collisions. The $γγ oγγ$ cross sections for diphoton masses m$_{γγ}>$ 5 GeV in pp, pPb, and PbPb collisions at LHC ($\sqrt{ m s_{_{NN}}}$ = 5.5, 8.8, 14 TeV) and FCC ($\sqrt{ m s_{_{NN}}}$ = 39, 63, 100 TeV) center-of-mass energies are presented. The measurement has controllable backgrounds in PbPb collisions, and one expects about 70 and 2500 signal events per year at the LHC and FCC respectively, after typical detector acceptance and reconstruction efficiency selections.

研究の動機と目的

• 未観測の基本的量子過程としての弾性光-光散乱（γγ → γγ）の初の直接観測のための実現可能な実験戦略を提案すること。
• 陽子および lead 等の超外部衝突（UPC）を用いた LHC および将来の円形衝突装置（FCC）における γγ → γγ の検出可能性を評価すること。
• Pb-Pb 衝突における排他的中央排他的生成（CEP）および QED e⁺e⁻ → γγ のプロセスからの背景寄与を評価し、予想される信号収量を定量化すること。
• 特に FCC のエネルギー領域において、高エネルギー二光子インvariant質量領域での標準模型を超える新しい物理現象への感受性を調査すること。
• 現実的な検出器の受容性および再構成効率を考慮した LHC および FCC における信号レートおよび統計的有意水準の定量的推定を提供すること。

提案手法

• 相対論的陽子および lead 等が超外部衝突で発する巨大な準実効果光子フラックスをモデル化するために、等価光子近似（EPA）を用いる。
• 量子電磁力学（QED）の一次近似で γγ → γγ 截面積を計算し、電荷を帯びたフェルミオンおよび W± ボソンの仮想ループを含める。理論的不確実性は 20–50% と推定される。
• 中央排他的生成（CEP）および e⁺e⁻ → γγ の主要な背景を低減するため、pT(γγ) < 0.2 GeV および非同一平面性制約などの現実的な検出器受容性および再構成効率カットを適用する。
• モンテカルロシミュレーションおよびパートン分布関数（PDFs）を用いて信号および背景収量を推定し、イオンビームの Z⁴ 要因を考慮して断面積を Z⁴ 倍して光子フラックスの増幅を反映させる。
• 理論的不確実性を信号および背景収量に組み込んだプロファイル尤度法を用いて統計的有意水準を計算する。
• LHC（14–8.8 TeV）および FCC（100–39 TeV）の中心系エネルギーにおける p-p、p-Pb、Pb-Pb 衝突を比較し、最適な設定を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC および FCC における超外部衝突を用いた既存または予想される検出器能力で、弾性光-光散乱（γγ → γγ）が観測可能か？
• RQ2 LHC および FCC のエネルギー下で、p-p、p-Pb、Pb-Pb 衝突における検出器受容性および再構成効率カット後の γγ → γγ の予想される信号収量は何か？
• RQ3 LHC および FCC の Pb-Pb 衝突において、主な背景（特に中央排他的生成（CEP）および QED e⁺e⁻ → γγ）は信号と比べてどの程度か？
• RQ4 断面積の理論的不確実性を考慮した場合、LHC および FCC における γγ → γγ 信号の統計的有意水準は何か？
• RQ5 FCC における γγ → γγ 測定は、高エネルギー二光子インvariant質量領域で標準模型を超える新しい物理現象を探索可能か？

主な発見

• LHC では、検出器受容性および再構成効率カット後の Pb-Pb 衝突で、年間約 70 件の排他的 γγ → γγ 信号イベントが予想される。
• FCC では、中心系エネルギーの上昇、光度の向上、イオンビームにおける Z⁴ 要因に起因する光子フラックスの増幅により、信号イベント数は年間約 2,500 件に増加する。
• 信号の統計的有意水準は、LHC で約 6、FCC で約 35 に達する。信号および背景収量の理論的不確実性はそれぞれ 20% および 50% と仮定される。
• FCC における CEP（gg → γγ）および QED e⁺e⁻ → γγ の背景は、カット後それぞれ年間約 2,000 および 600 件に低減され、予想される信号収量（約 500 nb）を下回る。
• 信号対背景比は Pb-Pb 衝突で最も有利であり、Z⁴ 要因による信号の著しい増幅に加え、運動学的および識別カットによって背景が抑制される。
• FCC における γγ → γγ 測定は、二光子インvariant質量まで約 35 TeV まで探査可能であり、標準模型を超える新しい物理現象（例：SUSY、axion、低スケール重力効果）への感受性を提供する。