[論文レビュー] Probing double parton scattering with leptonic final states at the LHC

Jonathan R. Gaunt, C. H. Kom+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における二重一部粒子散乱（DPS）を、完全にレプトンの最終状態を用いて調査する。主な対象は、同じ電荷の $W^\pm W^\pm$ ペア、二重Drell–Yan過程、および $J/\psi$ ペアである。DPSと単一部粒子散乱（SPS）の背景を区別するために、レプトンペア間の急速度差を用いる手法を提案し、特に $J/\psi$ ペア生成において断面積が大きく、放射効果に対してきめ細やかな運動量変数が得られることから、DPS寄与が非常に高い有意水準で分離可能であることを示している。

ABSTRACT

We discuss the prospects of observing double parton scattering (DPS) processes with purely leptonic final states at the LHC. We first study same-sign W pair production, which is particularly suited for studying momentum and valence number conservation effects, followed by discussions on double Drell-Yan and production of J/psi pairs. The effects of initial state and intrinsic transverse momentum smearing on pair-wise transverse momentum balance characteristic to DPS are studied quantitatively. We also present a new technique, based on rapidity differences, to extract the DPS component from a double J/psi sample recently studied at the LHCb.

研究の動機と目的

• LHCにおける完全にレプトンの最終状態での二重一部粒子散乱（DPS）の観測可能性を検討すること。これは、ハドロンの最終状態に比べてよりクリアなシグネチャとより正確な測定を可能にする。
• 特に同じ電荷の $W^\pm W^\pm$ 生成において、運動量保存則およびバリオン数保存則の制約がDPS過程にどのように現れるかを調査すること。
• $J/\psi$ ペア生成において、DPSとSPS寄与を分離する新しい手法を開発・検証すること。その手法は、二つのレプトンペア間の急速度差に基づくものである。
• 既存のLHCbデータが二重 $J/\psi$ 生成において、すでにDPSの兆候を示している可能性を評価すること。これは、断面積が大きく、急速度に基づく観測量が放射効果に対して安定であるためである。

提案手法

• DPS寄与をモデル化するために、CDFが決定した $\sigma_{\text{eff}} = 14.5$ mb を用いた二重一部粒子散乱断面積の公式 $\sigma^{DPS}_{(A,B)} = \frac{m}{2} \frac{\sigma_A \sigma_B}{\sigma_{\text{eff}}}$ を使用する。
• 陽子内の一部粒子相関を記述するために、因子化された二重一部粒子分布（dPDF）形式 $\Gamma_{ij}(x_1,x_2,b) = D_i(x_1)D_j(x_2)F(b)$ を適用する。
• DPSとSPSを区別するための頑健な運動量変数として、二つの $\mu^+\mu^-$ ペア間の急速度差 $|\Delta y|$ を導入する。これは初期状態放射や固有の横運動量スメアリングに対して感度が低く、有用である。
• $J/\psi$ ペア生成において、ミューオンの正しいペアリングは、そのインバリアント質量が $J/\psi$ の質量付近にあることを要件として決定され、イベント再構成における曖昧さを低減する。
• 実際の検出器レベルの運動量の再現を模擬するため、パートンシャワーおよび固有の横運動量（$p_T$）スメアリング効果を含める。これにより、バランス変数 $S$ のような主要な観測量への影響を評価する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、$W^\pm W^\pm$、Drell–Yan、$J/\psi$ 終状態におけるSと$|\Delta y|$のDPSおよびSPS分布を比較することで、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ電荷の $W^\pm W^\pm$ 生成は、二重一部粒子散乱における運動量保存則およびバリオン数保存則の観測に、クリアなプローブとして機能するか？
• RQ2 初期状態放射および固有の横運動量がDPS過程における横運動量バランスに与える影響は何か？ また、これらの効果は運動量観測量で軽減可能か？
• RQ3 二重 $J/\psi$ 生成において、二つの $\mu^+\mu^-$ ペア間の急速度差は、DPSとSPS寄与を信頼性高く区別するための有効な識別子として機能するか？
• RQ4 最近のLHCbの二重 $J/\psi$ 生成データは、すでに顕著なDPS成分を示しており、現在のカットおよび観測量で分離可能か？

主な発見

• 電荷を帯びたレプトンの擬似急速度非対称性 $a_{\eta_l}$ は、正であり、最小擬似急速度カット $\eta^{\text{min}}_l$ が大きくなるに従って増加すると予測され、これは同じ電荷の $W^\pm W^\pm$ 生成における運動量およびバリオン数保存則のシグネチャに敏感である。
• ペアワイズバランス変数 $S$ は、初期状態放射および固有の $p_T$ スメアリングに非常に敏感であり、現実的な条件下ではDPSの識別にあまり信頼できない。
• 二つの $\mu^+\mu^-$ ペア間の急速度差 $|\Delta y|$ は、放射および $p_T$ スメアリング効果に対して安定であり、DPSイベントでは $|\Delta y|$ が大きい領域で明確な増強が観測される。
• 14 TeVでの二重 $J/\psi$ 生成において、DPS断面積は 7.69 pb、SPS断面積は 2.62 pb であり、最小 $|\Delta y|$ カットを適用することでDPS寄与の割合が顕著に増加する。
• $m_{J/\psi J/\psi}$ インバリアント質量分布において、DPSはSPSよりも高い値にピークを示すため、両者を同時にフィットすることでDPS成分を抽出可能である。
• より多くのLHCデータが得られれば、最小 $|\Delta y|$ カットを用いることで高純度のDPSサンプルを分離可能となり、二重 $J/\psi$ イベントにおけるDPSの存在を確認する強力なツールとなる。