[論文レビュー] On the Correlation of Subevents in the ATLAS and CMS/Totem Experiments

S. N. White|ArXiv.org|Jul 10, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLASおよびCMS中央検出器のデータを、独立した先頭陽子検出器（FP420）が検出した部分的イベントと相関付ける手法を提案し、中央系の質量および量子数を排他的に測定可能にする。標準的なLHC光学系のもとで、420m離れた位置で散乱する陽子を用いることで、約2 GeVの質量分解能が得られ、0++状態のみが選別可能となる。これにより、中央排他的生成におけるヒッグス粒子の直接同定が可能となる。

ABSTRACT

We analyze the problem of correlating pp interaction data from the central detectors with a subevent measured in an independent system of leading proton detectors using FP420 as an example. FP420 is an R&D project conducted by a collaboration formed by members of ATLAS and CMS to investigate the possibility of detecting new physics in the central exclusive channel, PP -> P + X + P,where the central system X may be a single particle, for example a Standard Model Higgs boson. With standard LHC optics, the protons emerge from the beam at a distance of 420m from the Interaction Point, for M_X ~ 120 GeV. The mass of the central system can be measured from the outgoing protons alone, with a resolution of order 2 GeV irrespective of the decay products of the central system. In addition, to a very good approximation, only central systems with 0^++ quantum numbers can be produced, meaning that observation of a SM or MSSM Higgs Boson in this channel would lead to a direct determination of the quantum numbers.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSの中央検出器データと、独立した先頭陽子検出器で測定された部分的イベントを相関付ける手法を開発すること。
• 特にヒッグス粒子を含む、中央排他的チャンネル pp → P + X + P における新物理の検出を可能にすること。
• 中央系Xの質量が、出射陽子のみを用いても高分解能で測定可能であることを示すこと。
• このチャンネルで生成可能な状態の量子数が0++に制限されることを示し、スピンおよびパリティの直接決定が可能となること。
• FP420を排他的ヒッグス生成における精度測定のツールとして使用可能であることを支援すること。

提案手法

• ATLASおよびCMSの共同研究プロジェクトであるR&DプロジェクトであるFP420を用い、衝突点から420m離れた位置で散乱する陽子を検出する。
• 標準的なLHC光学系を用いて、質量が約120 GeVの中央系を有する場合の陽子の軌道および散乱角を予測する。
• 運動量の再構築を用いて、出射陽子の4元運動量から中央系Xの質量を測定する。
• 量子数選別則に従い、中央排他的生成では0++状態のみが生成可能であるという事実に依拠する。
• Mathematica 6.0を用いて、中央検出器イベントと先頭陽子部分的イベントとの相関をシミュレートおよび可視化する。
• 質量測定の分解能を分析し、Xの崩壊生成物に依存せず、常に約2 GeVの分解能を維持することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pp → P + X + P における中央系Xの質量は、出射陽子のみを用いても高分解能で測定可能か？
• RQ2 中央排他的生成メカニズムは、生成される系の量子数をどの程度制限するか？
• RQ3 ATLASおよびCMSの中央検出器と、FP420のような先頭陽子検出器で検出された部分的イベントとの相関は、どの程度良好か？
• RQ4 FP420装置を用いた中央排他的チャンネルにおいて、Xの達成可能な質量分解能はどの程度か？
• RQ5 このチャンネルで0++状態が観測された場合、それが標準模型またはMSSMヒッグス粒子の直接的証拠となるか？

主な発見

• 中央系Xの質量は、衝突からの出射陽子のみを用いても約2 GeVの分解能で測定可能である。
• pp → P + X + P を通じた中央排他的生成メカニズムは、0++量子数の状態のみを選別するため、スピンおよびパリティの直接決定が可能となる。
• 中央系の質量が約120 GeVの場合、陽子は標準的なLHC光学系のもとで、衝突点から420m離れた位置でビームから発射される。
• 質量分解能は中央系の崩壊生成物に依存せず、ヒッグス粒子がさまざまな最終状態に崩壊する場合でも安定である。
• 本手法により、量子数選別と高分解能質量再構築を用いて、中央排他的チャンネルにおけるヒッグス粒子の直接同定が可能となる。
• Mathematica 6.0を用いて実装された解析は、中央イベントと部分的イベントとの相関を示す詳細な図版およびアニメーションを含む。