[논문 리뷰] High energy photon interactions at the LHC

J. De Favereau De Jeneret, V. Lemaı̂tre외 7명|ArXiv.org|2009. 08. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 고에너지 광자-광자 및 광자-핵자 상호작용을 표준 프로톤-프로톤 충돌에 대한 보조적 탐사 수 Mittel로 조사하며, 등가 광자 근사법을 통해 준실재 광자 교환을 활용한다. 이 과정에서 전자약력 및 블록 표준 모델 이외의 물리학에 대해 몇 편버른에서 수십 페타바른 수준의 큰 단면적을 얻을 수 있으며, 전방 프로톤 태깅과 빠른도 갭 식별 기법을 적용할 경우 배경이 관리 가능해져서 1 fb⁻¹의 루미노시티에서도 힉스 보손, 토프 쿼크, 슈퍼대칭 입자 및 비정상 상호작용을 민감하게 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

Experimental prospects for studying high-energy photon-photon and photon-proton interactions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) are discussed. Cross sections are calculated for many electroweak and beyond the Standard Model processes. Selection strategies based on photon interaction tagging techniques are studied. Assuming a typical LHC multipurpose detector, various signals and their irreducible backgrounds are presented after applying acceptance cuts. Prospects are discussed for the Higgs boson search, detection of supersymmetric particles and of anomalous quartic gauge couplings, as well as for the top quark physics.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 고에너지 광자 상호작용을 표준 pp 충돌에 대한 보조적 탐사 수 Mittel로 연구할 수 있는지 평가하기.
• 광자 유도 과정이 전자약력 및 블록 표준 모델 이외의 물리학을 탐색하는 데 어떤 잠재력을 지니는지 평가하기.
• 히iggs 보손 생성, 토프 쿼크 쌍 생성, 비정상 4중 보존 상호작용 등 주요 과정에 대한 단면적과 배경을 정량화하기.
• 전방 프로톤 태깅과 빠른도 갭 식별이 임계적인 QCD 배경을 억제하는 데 어떤 역할을 하는지 규명하기.
• 특히 토프 쿼크 및 슈퍼대칭 탐색에 있어 낮고 높은 통합 루미노시티 조건에서 이러한 과정의 물리적 탐색 범위를 설정하기.

제안 방법

• 등가 광자 근사법(EPA)을 사용하여 pp 충돌에서 준실재 광자 교환을 모델링하며, 과정을 보편적 광자 스펙트럼과 과정에 따라 달라지는 단면적의 곱으로 분리한다.
• 광자 스펙트럼 dN(x,Q²)에서 유도된 상대 루미노시티 스펙트럼과 부분입자 수준의 단면적을 콘볼루션하여 이중 광자 및 광생성 단면적을 계산한다.
• 검출기 반응 기반의 수용 범위 절차를 적용하며, 여기서는 제트 pT > 30 GeV, 렙톤 pT > 10 GeV, b-태깅, 그리고 빠른도 갭 조건(Emin_FCal < 30 GeV)을 포함한다.
• 다중 트랙이 제트 콘(반경 R = 0.7, 1 < η < 2.5) 외부에 pT > 0.5 GeV가 없도록 하는 배제 조건을 도입하여 분리 및 QCD 배경을 억제한다.
• MG/MadGraph 및 CalcHEP을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 전자약력 및 블록 표준 모델 이외의 과정에 대한 최초 차수 단면적을 계산한다.
• 전방 프로톤 태깅 및 전용 전방 검출기(FP420 등)의 영향을 배경 억제 및 신호 식별에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 광자-광자 및 광자-핵자 상호작용에서 주요 전자약력 및 블록 표준 모델 이외의 물리 과정에 대한 단면적은 무엇인가?
• RQ2 수용 범위 절차와 빠른도 갭 식별이 광자 유도 과정에서의 신호 효율성과 배경 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전방 프로톤 태깅과 배제 조건이 광생성 및 이중 광자 과정에서 QCD 및 분리 배경을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 낮은 및 높은 루미노시티 조건에서 이러한 과정이 힉스 보손 상호작용, 토프 쿼크 성질 및 비정상 4중 보존 상호작용 탐색에 대해 어떤 물리적 탐색 범위를 지닌다?
• RQ5 전방 검출기 기능을 고려할 때, 부분입자-부분입자 상호작용에서 유래하는 배경과 불가피한 광자 유도 배경 간의 비교는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 13 TeV LHC 에너지에서 광자 유도 과정에 의한 토프 쿼크 쌍 생성의 포함 단면적은 328,000 fb이며, 수용 범위 절차를 통과한 후에는 25,900 fb로 감소한다.
• t̄t → lνbbjj 위상공간에서 수용 범위 및 빠른도 갭 절차를 통과한 후 단면적은 155.9 fb이며, 강한 배제 조건을 통과한 후에는 71.6 fb로 감소한다.
• 광생성에 의한 W+제트 생성 단면적은 절단 이전에 86.2 × 10⁶ fb이며, 수용 범위 절차를 통과한 후에는 27.7 × 10³ fb로 감소한다.
• 이중 광자 루미노시티 스펙트럼은 낮은 Wγγ에서 피크를 이룬다. 그러나 1 TeV를 초과하는 영역까지 연장되어 TeV 스케일의 고에너지 물리 연구가 가능하다.
• 낮은 루미노시티 조건에서는 부분입자-부분입자 상호작용에서 유래하는 배경이 예상보다 미미하며, 전방 캘로리미터 에너지 제어 및 배제 조건을 통해 억제 가능하다.
• 높은 루미노시티 조건에서는 효과적인 신호 선택이 전방 프로톤 태깅과 고도의 배제 조건에 크게 의존하며, FP420 유형의 검출기가 배경 억제에 필수적이다.