[論文レビュー] Photon-induced Background for Dilepton Searches and Measurements in pp Collisions at 13 TeV

D. Bourilkov|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、13 TeVのpp衝突におけるDrell-Yanおよび光子誘発（PI）二重レプトン生成の詳細な計算を提示する。特に、光子が陽子から放射されて衝突するPI過程が、高インvariant質量探索において無視できないバックグラウンドを寄与することを強調している。MRST2004qed（Mem1）およびNNPDF23qedのPDFを用いて、PI効果は検出器の中央部でピークを示し、高質量領域で特に顕著であることが判明した。NNPDF23qedでは大きな不確実性が見られ、本研究では750 GeVの二光子エクスセス仮説を踏まえ、信頼性の高い高質量探索のため、MRST2004qed（Mem1）のような良好な挙動を示すPDFの使用を推奨している。

ABSTRACT

The production of high invariant mass opposite sign lepton pairs in proton-proton collisions at the LHC is dominated by the Drell-Yan process. In addition to this photon or Z exchange mediated mechanism, gamma-gamma collisions, where photons radiated by the incoming protons collide, can produce lepton pairs. This is an important additional source of background for high mass resonant (like Z') or non-resonant (like contact interactions) searches. In this paper detailed calculations of the Drell-Yan and photon-induced cross sections in the typical acceptance of a multi-purpose LHC detector at center of mass energy 13 TeV are presented. The hint for a diphoton excess at a mass around 750 GeV, reported by the ATLAS and CMS experiments from the analysis of the 2015 data at 13 TeV, raises the possibility that such an excess could be produced through gamma-gamma collisions. A good theoretical understanding and measurements in the dilepton channels at these energies can help to elucidate this production hypothesis.

研究の動機と目的

• LHCの13 TeV中心系エネルギーにおける高インvariant質量探索における光子誘発（PI）二重レプトン生成をバックグラウンドとして定量すること。
• 特にMRST2004qed（Mem0/Mem1）およびNNPDF23qedといった異なる光子PDFが、通常の検出器受容領域におけるPI断面積に与える影響を評価すること。
• ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子エクスセスが、γ-γ衝突によって説明可能かどうかを評価し、これには二重レプトンチャンネルの正確な理論的モデル化が不可欠である。
• 二重レプトン最終状態における新しい物理信号とPIバックグラウンドを区別するための信頼性の高い理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• Drell-Yanおよび光子誘発断面積の計算は、次-leading order（NLO）での完全な電弱補正を含むFEWZプログラムを用いて実施された。
• 陽子の光子内容をモデル化するために、MRST2004qed（現在のクォーク質量カットMem0および構成クォーク質量カットMem1）およびNNPDF23qedの光子PDFが使用された。
• 本研究ではGμ入力スキームを採用し、2ループ階層まで高次結合定数の正規化群の進行を含めたQCDおよびQED結合効果を考慮した。
• PI寄与の空間的および運動論的挙動を評価するため、(DY + PI)/DYの速さおよびインvariant質量分布が計算された。
• 完全なFEWZ結果との整合性を確認するため、α/αsスケーリングおよび結合定数の進行に基づく簡略化されたKISS推定が開発され、比較評価が行われた。
• 分析は特に高質量二重レプトンチャンク（例：700–830 GeVおよび2–3 TeV）を想定した、通常のLHC検出器受容領域に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおける高インvariant質量二重レプトン探索において、光子誘発バックグラウンドはDrell-Yan過程に対してどの程度顕著か？
• RQ2 MRST2004qed（Mem0/Mem1）またはNNPDF23qedといった光子PDFセットの中で、高質量領域におけるPI断面積予測に最も信頼性があるのはどれか？
• RQ3 LHCおよびZEUSの実験的制約は、特に初期の光子運動量分率が高いパラメータ化をどの程度排除するか？
• RQ4 750 GeVの二光子エクスセスはγ-γ衝突によって説明可能か？また、この仮説は二重レプトンチャンネル測定によってどの程度検証可能か？
• RQ5 PI寄与の運動論的分布、特に速さの分布が、高質量探索におけるバックグラウンド抑制および信号検出にどのように影響するか？

主な発見

• 光子誘発寄与は検出器の中央部でピークを示し、受容領域の端に向かって減少する。特に高インvariant質量領域で顕著な効果が観察された。
• 700–830 GeVの質量チャンクでは、PI効果は中央の速さ領域で顕著であり、特にNNPDF23qed PDFを用いた場合、受容領域の端付近でも再び上昇する。
• NNPDF23qed PDFは高質量領域で大きな不確実性を示し、受容領域の端で(DY+PI)/DY比が最大10倍にまで急増するケースがあり、高質量解析には信頼性に欠ける。
• 構成クォーク質量を用いたMRST2004qed（Mem1）PDFは、ZEUSおよびCMSデータと整合性があり、高質量領域でMem0やNNPDF23qedよりも安定的で現実的な予測を生成した。
• α/αsスケーリングおよび結合定数の進行に基づくKISS推定は、MRST2004qedを用いた完全なFEWZ計算と良好に一致し、PI効果の迅速なチェックとしての有効性が裏付けられた。
• 本研究は、NNPDF23qedで見られる物理的に不自然な増幅を避けるために、高質量二重レプトン探索にはMRST2004qed（Mem1）またはCT14QEDのようなより新しい良好な挙動を示すPDFの使用を推奨する結論に至った。