[論文レビュー] New Physics with Tagged Forward Protons at the LHC

V. A. Khoze, A. D. Martin+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるフォワードプロトンタグギングを用いて、中央排他的生成（CEP）を通じた新しい物理学、特にMSSMにおけるヒッグスボソンの発見可能性を向上させることを提案する。小さな角度で散乱するプロトンを検出することで、クリーンな質量再構成、量子数の特定、および信号対背景比の向上が可能となり、特にMSSMにおいては、有利なパrameter領域では信号対背景比が標準模型（SM）に比べて最大2桁向上する。

ABSTRACT

The addition of forward proton detectors to LHC experiments will significantly enlarge the potential for studying New Physics. A topical example is Higgs production by the central exclusive diffractive process, pp -> p+H+p. We discuss the exclusive production of Higgs bosons in both the SM and MSSM. Special attention is paid to the backgrounds to the H -> bbbar signal.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える新しい物理学の発見領域を拡大するため、LHCにおけるフォワードプロトンタグギングの可能性を調査すること。
• 非微小過程における大規模なQCD背景の影響を受ける、主に$b\bar{b}$崩壊モードでのヒッグスボソン検出の課題に対処すること。
• 中央排他的生成（CEP）にプロトンをタグすることにより、新しい共鳴状態の質量分解能と量子数同定が向上することを示すこと。
• 60~{}\text{fb}^{-1}の積分断面積におけるプロトンタグ付きイベントを用いて、SMに類似たヒッグスボソンの$WW^{*}$崩壊モードの観測可能性を評価すること。
• CEPが信号対背景比を著しく向上させるMSSMパrameter空間の領域を同定し、ヒッグス系のCP構造およびヤコビ・カップリングの直接的探査を可能とすること。

提案手法

• プロトンが前向きに散乱する中央排他的な弾性過程$pp \to p + X + p$を用い、$X$は中央に生成される共鳴状態で、出射プロトンはフォワードプロトン検出器で測定される。
• スカラー状態のCおよびP偶性を保証するため、$J_z = 0$選択則を適用し、ヒッグスに類似した共鳴状態の明確な同定を可能にする。
• 色単一状態を維持するため、スクリーニングゲージ子を含むグルーオン融合の排他的な生成振幅を採用し、最終状態の高純度を確保する。
• SMおよびMSSMヒッグスボソンのCEP過程における断面積を計算し、$WW$、$b\bar{b}$、その他の最終状態への分支比を含める。
• 実験的実現可能性を評価するため、検出器の受容性、トリガー効率（例：$WW$に対して約20％）をシミュレーションし、運動量的カットと欠落質量再構成を用いた背景抑制を検討する。
• 高積分光度における積み重ね効果がCEP信号検出に与える影響を評価し、最適化されたトリガーサービスと背景制御の必要性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるフォワードプロトンタグギングは、標準模型生成と比較して、$b\bar{b}$崩壊モードにおけるヒッグスボソン検出の信号対背景比を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 中央排他的生成は、とりわけCP奇性の重い$A$および中性$H$状態において、MSSMにおけるヒッグスボソンの発見可能性をどの程度向上させるか？
• RQ3 排他的弾性過程における$J_z = 0$選択則は、新しい共鳴状態の量子数を明確に特定するのにどのように寄与するか？
• RQ4 60~{}\text{fb}^{-1}の積分断面積におけるSMヒッグスボソンのCEP生成および$WW^{*}$崩壊モードの期待イベント数は何か？また、現在のトリガーサービスで検出可能か？
• RQ5 MSSMパラメータ空間のどの領域で、CEPにおける$H \to b\bar{b}$の信号対背景比がSMに比べて最大2桁向上するか？

主な発見

• SMでは、CEPによるヒッグスボソン生成の信号対背景比は約1であるが、有利なMSSMパラメータ領域では最大2桁向上する。
• 140 GeVから200 GeVの質量を有するSMに類似たヒッグスボソンに対しては、$\mathcal{L} = 60~{}\text{fb}^{-1}$の積分断面積で、カットおよびトリガー効率を考慮した後、数10イベントの検出可能な信号が期待される。
• $WW^{*}$最終状態へのトリガリングは、標準的なレプトントリガで実現可能であり、約20％の効率を達成できる。さらに、レベル1のトリガ閾値を下げることで、統計量を2倍に増加できる可能性がある。
• $J_z = 0$選択則により、一次元QCD $b\bar{b}$生成が$\sim (m_b/E_T)^2$の割合で抑制され、低質量ヒッグスボソンの背景が顕著に低減される。
• フォワードプロトンタグギングにより、$H \to b\bar{b}$崩壊モードを通じてヒッグスボソンのヤコビ・カップリングを直接測定可能となり、これは通常のQCD背景によって覆い隠されるため、通常は不可能である。
• この手法は、タグ付きプロトンの方位角非対称性や崩壊生成物の相関を用いることで、MSSMヒッグス系におけるCP構造を独自に探査可能であり、線形衝突型加速器研究の代替手段としての可能性を提供する。