[論文レビュー] New opportunities at the photon energy frontier

J. Adam, C. Aidala+73 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 81被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmass2021の関心表明書は、相対論的重イオンからのほぼ実光子を活用して、LHCにおける超外周衝突（UPC）を高エネルギー光子物理学の新しいフロントランナーとして提案する。これにより、低ｘグルーオン分布の調査、軸子様粒子（ALPs）の探索、光同士の散乱の研究が可能になる。本論文は、ATLASおよびCMSが観測した光同士の散乱の既存の事例を強調し、将来の二光子融合によるベクトルメソン、ジジェット、ヒッグス粒子の光生成の可能性を提示する。

ABSTRACT

Ultra-peripheral collisions (UPCs) involving heavy ions and protons are the energy frontier for photon-mediated interactions. UPC photons can be used for many purposes, including probing low-$x$ gluons via photoproduction of dijets and vector mesons, probes of beyond-standard-model processes, such as those enabled by light-by-light scattering, and studies of two-photon production of the Higgs.

研究の動機と目的

• HERAの閉鎖に続く高エネルギー光子物理学における超外周衝突（UPC）を新たなエネルギーフロントランナーとして確立すること。
• UPCを用いたベクトルメソンおよびジジェットの光生成を通じて、核内の低ｘグルーオン密度を調べる可能性を調査すること。
• 光同士の散乱および二光子過程を通じて、標準模型を越える物理学、特に軸子様粒子（ALPs）および異常な結合定数の探求。
• LHCにおけるUPCでのヒッグス粒子生成の二光子融合プロセスの可能性を評価すること。
• 将来の加速器、特にEICおよびFCC-heにおける光子媒介過程の専用の実験的・理論的取り組みを提唱すること。

提案手法

• 相対論的重イオン（Pb+Pb）からのほぼ実光子を、光子の仮想的が低い（$Q^2 < (\hbar c/R_A)^2$）超外周衝突で利用する。
• 核の部分子分布関数（NPDFs）であるEPS09を用いて、Bjorken-ｘの関数としてベクトルメソン光生成の核抑制係数を予測する。
• 既存のATLASおよびCMSデータからの光同士の散乱断面積を分析し、ALP-光子結合定数（$1/\Lambda_a$）とALP質量の関係における除外限界を導出する。
• 理論的計算と既存のLHCデータを基に、UPCにおけるヒッグス粒子生成の二光子融合プロセスをモデル化する。
• ATLASおよびCMSの光同士の散乱および排他的$W^+W^-$生成に関する実験結果と理論的予測を統合し、新しい物理学を制約する。
• モンテカルロシミュレーションおよび理論的枠組み（例：カラーグラスコンデンエート、ドライプモデル）を用いて、UPCにおける新しい物理学の感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける超外周衝突は、ベクトルメソンの光生成を通じて核内の低ｘグルーオン密度を調査するための実用的プラットフォームを提供できるか？
• RQ2 LHCの光同士の散乱データに基づいて、軸子様粒子（ALPs）の光子への結合定数に対する現在の除外限界は何か？
• RQ3 UPCにおける二光子融合プロセスは、ヒッグス粒子生成および異常な四重ゲージ結合定数の研究にどの程度寄与できるか？
• RQ4 UPCは、異常な電磁モーメントや異常な状態といった、標準模型を越える新しい物理学の探索にどのように活用できるか？
• RQ5 将来の施設、特に電子-イオン衝突型加速器（EIC）およびFCC-heは、光子エネルギーフロントランナー物理学の発展にどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• Pb+Pb UPCにおけるベクトルメソン光生成の予測核抑制係数は、低ｘグルーオン分布に対して強く感受性を示し、EPS09に基づく予測では期待値からの顕著なずれが測定可能である。
• ATLASおよびCMSの光同士の散乱データに基づくALP-光子結合定数（$1/\Lambda_a$）の除外限界は、ALP質量が100 MeV未満の場合、約$10^{-3}$ GeV$^{-1}$に達する。
• 既存のLHCデータは、Pb+Pb衝突における光同士の散乱が観測されており、高エネルギーでの測定可能性が確認されている。
• UPCにおける二光子融合プロセスは、将来の光度向上に伴い測定可能な断面積を持つヒッグス粒子生成を可能とし、ヒッグス研究のクリーンなチャネルを提供する。
• 理論的モデルは、UPCにおける排他的なジジェットおよびベクトルメソンの光生成断面積が顕著であると予測しており、低ｘにおけるQCDダイナミクスの高精度な研究が可能となる。
• 本論文は、LHCおよび将来の加速器における光子媒介過程の継続的かつ拡大された研究の強い科学的根拠を明らかにした。特に、核のグルーオン構造および新しい物理学の探求に貢献する。