[論文レビュー] Semi-elastic cross section for a scalar resonance of mass 750 GeV

İ. Şahin|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、等価光子近似と有効ラグランジアン形式を用いて、陽子-陽子衝突における光子誘発反応による750 GeVスカラー共振子の半弾性生成を調査している。特に $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$ の過程を対象とし、$\phi\gamma\gamma$ および $\phi\gamma Z$ 耦合の断面積を計算した。前方検出器がこれらの過程を分離可能であり、特に高出力LHC運転時において、半弾性チャンネルがカップリングパラメータに対して競争的な感度を示すことが示された。

ABSTRACT

We assume that the recently reported excess over Standard Model expectations in the diphoton production is originated from a new scalar boson phi which interacts with photons through the coupling proportional to phi F^2. We obtain the cross section for semi-elastic production process pp-> p gamma p-> p phi q X by considering phi-photon-photon and phi-photon-Z couplings and discuss the constraints on the coupling parameters. We investigate the potential of the semi-elastic production process to probe phi-photon-photon and phi-photon-Z.

研究の動機と目的

• 750 GeVスカラー共振子 $\phi$ の陽子-陽子衝突における光子融合を介した半弾性生成断面積を評価すること。
• 有効場理論を用いて、半弾性過程の $\phi\gamma\gamma$ および $\phi\gamma Z$ 誘導への感度を評価すること。
• 前方検出器が半弾性 $\phi$ 生成を分離・測定する可能性を同定すること。
• LHCが $\sqrt{s} = 13$ TeV で運転する状況下で、全領域および前方検出器受容性の両条件における断面積を比較すること。

提案手法

• 有効ラグランジアン $\mathcal{L} = c_{\gamma\gamma}\phi F^{\mu\nu}F_{\mu\nu} + c_{\gamma z}\phi F^{\mu\nu}Z_{\mu\nu}$ を用いて $\phi\gamma\gamma$ および $\phi\gamma Z$ 誘導をモデル化。
• 陽子からの光子放出をモデル化するため、等価光子近似を適用し、$dN_\gamma/dx_1$ を陽子の電磁形式因子から導出。
• MSTW2008のパートン分布関数 $dN_q/dx_2$ を統合して、部分反応断面積 $\hat{\sigma}_{\gamma q \to \phi q}$ を計算。
• 全領域統合 $x_1 \in (0, 1 - m_p/E)$ と前方検出器カバーを模倣する制限付き受容性 $\xi \in (0.015, 0.15)$ の両方を考慮。
• 全クォークフレーバー（$u,d,s,c,b$ および反粒子）の和をとることで全断面積を計算。
• 様々な出力および中心系エネルギーにおける、$c_{\gamma\gamma}$–$c_{\gamma z}$ パラメータ空間における95%信頼水準での感度限界を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVの中心系エネルギー下で、$\sqrt{s} = 13$ TeV における $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$ の半弾性断面積はどの程度か？
• RQ2 $\phi\gamma\gamma$ および $\phi\gamma Z$ 誘導は、半弾性生成率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 前方検出器が半弾性 $\phi$ 生成の分離・測定をどの程度向上できるか？
• RQ4 高出力LHCにおける半弾性過程から、$c_{\gamma\gamma}$ および $c_{\gamma z}$ の感度限界は何か？
• RQ5 断面積は中心系エネルギーおよび検出器受容性にどのように依存するか？

主な発見

• 全 $x_1$ 統合下で、$\phi \to \gamma\gamma$ 分解比を含めた場合、$pp \to p\gamma p \to p\phi qX$ の全半弾性断面積は5 fb未満に推定される。
• 断面積は $c_{\gamma\gamma}$ および $c_{\gamma z}$ に比例して増加し、特に $\gamma q \to \phi q$ の部分反応が支配的であるため、$c_{\gamma\gamma}$ に強い依存性を示す。
• 前方検出器受容性 $0.015 < \xi < 0.15$ を適用すると、非弾性過程からのバックグラウンド抑制により、全統合と比較して断面積が顕著に増加する。
• $\sqrt{s} = 13$ TeV および $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ の条件下で、半弾性チャンネルは95%信頼水準で $c_{\gamma\gamma}$ を約 $10^{-3}$ GeV$^{-1}$、$c_{\gamma z}$ を約 $10^{-3}$ GeV$^{-1}$ まで探査可能である。
• $\phi\gamma Z$ 誘導は、特に $c_{\gamma z}$ が大きい場合に断面積に顕著な寄与を示し、十分な出力があれば測定可能である。
• 本研究は、半弾性過程が、$\phi$ が光子および $Z$ ボソンとどのように相互作用するかを調べるための、弾性二光子生成と補完的かつ実現可能な代替チャンネルであることを示した。