[논문 리뷰] Anomalous trilinear and quartic $WW\gamma$, $WW\gamma\gamma$, $ZZ\gamma$ and $ZZ\gamma\gamma$ couplings in photon induced processes at the LHC

C. R. Royon, É. Chapon외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 광자 유도 과정을 통해 이상한 삼중선 및 사중선 WWγ, WWγγ, ZZγ, ZZγγ 결합을 조사한다. 초기 데이터 10–100 pb⁻¹를 사용하여 LEP보다 거의 세 개의 지수 차수 향상된 민감도로 사중선 결합을 탐색할 것을 제안하며, 220/420 m에 위치한 후행 양성자 탐지기 도입으로 고광도 조건에서 민감도가 두 개의 지수 차수 향상됨을 예측한다.

ABSTRACT

We first report on possible measurements at the LHC using the first data and a luminosity of 10 pb$^{-1}$ of $W$ and $Z$ pair production via two-photon exchange. This measurement allows in particular to increase the present sensitivity on $WW\gamma \gamma$ and $ZZ\gamma \gamma$ quartic anomalous couplings from the LEP experiments by almost three orders of magnitude. We also discuss the possible improvements on quartic and trilinear anomalous couplings at high luminosity at the LHC using new forward proton taggers to be installed at 220 and 420 m from the CMS or ATLAS detectors.

연구 동기 및 목표

• 10–100 pb⁻¹ 광도 조건에서의 初기 데이터를 사용하여 LHC가 이상한 사중선 WWγγ 및 ZZγγ 결합에 대해 어떤 민감도를 가지는지 평가하기 위해.
• 상호작용점에서 220 m 및 420 m 거리에 위치한 후행 양성자 탐지기를 사용하여 사중선 및 삼중선 이상 결합에 대한 민감도 향상 가능성을 평가하기 위해.
• 독립적인 최종 상태를 통한 광자 유도 W 및 Z 쌍 생성에서 표준모형의 이심을 탐지할 수 있는지 가능성 테스트하기 위해.
• 특히 힉스가 없는 모델 등 큰 이상 결합을 예측하는 모델에 대해 기존 LEP 한계에 비해 민감도 향상 정도를 정량화하기 위해.
• 이중 레프톤 최종 상태에서 깔끔한 신호 식별을 위한 이벤트 선택 및 배경 억제 최적화를 위해.

제안 방법

• 이상 결합을 포함한 광자 유도 pp → pWWp 및 pp → pZZp 과정을 시뮬레이션하기 위해 FPMC 몬테카를로 생성기를 사용한다.
• γγWW 및 γγZZ 정점에서 최소 차수 이상 결합을 효과 라그랑지안에 도입하며, QED 과정의 생존 확률은 0.9로 설정한다.
• 엄격한 독립성 절차 적용: 두 개의 고pT 레프톤(e/μ)과 다른 재구성된 입자 또는 에너지 흐름 없음, 그리고 미량 횡방향 운동량 >20 GeV.
• QED 배경 억제를 위해 주로 레이저 레이저 타이밍 감지기를 사용하여 산란된 양성자를 탐지하며, 160 GeV 이상의 주요 레프톤에 대해 pT > 160 GeV 조건 적용.
• λγ에 대한 수용률 최적화를 위해 ξ > 0.05 조건 적용하고, ∆κγ에 대해 전체 후행 감지기 수용률을 사용하여 S/√B 최대화.
• 5σ 발견 경계 및 결합 매개변수에 대한 95% 신뢰수준 한계를 산정하기 위해 통계 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC는 10–100 pb⁻¹의 데이터만으로 LEP에 비해 이상한 사중선 WWγγ 및 ZZγγ 결합에 대해 상당히 향상된 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 220 m 및 420 m 거리에 위치한 후행 양성자 탐지기는 고광도 조건에서 이상 결합에 대한 민감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 LHC는 현재의 강입자 충돌기 및 LEP 한계를 초월하여 삼중선 WWγ 및 ZZγ 결합을 어느 정도까지 탐색할 수 있는가?
• RQ4 √s = 10 TeV 조건에서 이중광자 융합을 통한 독립적 W 및 Z 쌍 생성의 기대 신호 대 배경 비율은 얼마인가?
• RQ5 이상 결합은 Wγγ 최종 상태에서 γγ 진동 질량 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 10 pb⁻¹ 데이터로 LHC는 aW₀/Λ²에 대해 95% C.L. 민감도 약 2.2 × 10⁻⁴ GeV⁻²를 확보하며, LEP의 OPAL 한계보다 거의 세 개의 지수 차수 향상됨.
• 100 pb⁻¹일 경우 aW₀/Λ²에 대해 민감도가 약 1.0 × 10⁻⁴ GeV⁻²로 향상되어 초기 데이터의 강력한 잠재력을 보여줌.
• 삼중선 결합에 대해 30 fb⁻¹ 조건에서 5σ 발견 경계는 ∆κγ에 대해 0.043, λγ에 대해 0.034를 기록하며, 직접적인 강입자 충돌기 한계보다 각각 12배 및 4배 향상됨.
• 200 fb⁻¹ 조건에서 ∆κγ 및 λγ에 대한 민감도는 현재 강입자 한계보다 약 30배 향상되고, LEP 간접 한계보다는 5배 향상됨.
• 200 fb⁻¹ 조건에서 Wγγ > 1 TeV인 사건 약 400건이 발생할 것으로 예측되어 고질량 γγ 영역에서 표준모형 및 블랙스케일 물리의 고통계 테스트 가능.
• 비분해성, QED, 이중 폼프론 교환 과정에서의 배경는 독립성 및 운동학적 절단 조건 적용 후 거의 무시할 수 없을 정도로 억제됨.