[논문 리뷰] On the Correlation of Subevents in the ATLAS and CMS/Totem Experiments

S. N. White|ArXiv.org|2007. 07. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 상호작용점에서 420m 떨어진 독립적인 주도 양성자 검출기(FP420)에 의해 감지된 부분 사건과 ATLAS 및 CMS의 중심 검출기 데이터를 연관시켜 중심 시스템의 질량과 양자수를 배제적으로 측정할 수 있는 방법을 제안한다. 표준 LHC 광학 조건 하에서, 상호작용점에서 420m 떨어진 곳에서 산산이 튀어나온 양성자들을 이용해 약 ~2 GeV의 질량 해상도를 확보할 수 있고, 오직 0++ 상태만 선택 가능하므로 중심 배제 생성에서 힉스 보존을 직접 식별할 수 있다.

ABSTRACT

We analyze the problem of correlating pp interaction data from the central detectors with a subevent measured in an independent system of leading proton detectors using FP420 as an example. FP420 is an R&D project conducted by a collaboration formed by members of ATLAS and CMS to investigate the possibility of detecting new physics in the central exclusive channel, PP -> P + X + P,where the central system X may be a single particle, for example a Standard Model Higgs boson. With standard LHC optics, the protons emerge from the beam at a distance of 420m from the Interaction Point, for M_X ~ 120 GeV. The mass of the central system can be measured from the outgoing protons alone, with a resolution of order 2 GeV irrespective of the decay products of the central system. In addition, to a very good approximation, only central systems with 0^++ quantum numbers can be produced, meaning that observation of a SM or MSSM Higgs Boson in this channel would lead to a direct determination of the quantum numbers.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS의 중심 검출기 데이터와 독립적인 주도 양성자 검출기에서 측정한 부분 사건 간의 연관성을 개발하는 것.
• 특히 힉스 보존을 포함한 새로운 물리 현상이 중심 배제 채널 pp → P + X + P 에서 탐지될 수 있도록 하는 것.
• 중심 시스템 X의 질량이 오직 산산이 튀어나온 양성자들만을 사용하여 높은 해상도로 측정될 수 있음을 보여주는 것.
• 이 채널에서 오직 0++ 양자수 상태만 생성된다는 점을 보여주어 스핀과 운동량을 직접 결정할 수 있음을 입증하는 것.
• FP420를 중심 배제 힉스 생성에서 정밀 측정 도구로 사용할 수 있음을 뒷받침하는 것.

제안 방법

• 상호작용점에서 420m 떨어진 곳에서 산산이 튀어나온 양성자를 감지하기 위해 ATLAS 및 CMS 협력자들이 수행 중인 R&D 프로젝트인 FP420를 사용한다.
• 표준 LHC 광학 조건을 적용하여 질량 약 120 GeV인 중심 시스템에 대해 양성자 궤적과 산산이 튀어나온 각도를 예측한다.
• 운동량 재구성을 통해 산산이 튀어나온 양성자의 4모멘텀으로부터 중심 시스템 X의 질량을 측정한다.
• 양자수 선택 규칙에 따라 중심 배제 생성에서 오직 0++ 상태만 생성된다는 사실에 기반한다.
• Mathematica 6.0을 사용하여 중심 검출기 사건과 주도 양성자 부분 사건 간의 상관관계를 시뮬레이션하고 시각화한다.
• 질량 측정의 해상도를 분석하여, 이는 X의 붕괴 생성물과 무관하게 약 ~2 GeV로 유지됨을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp → P + X + P에서 중심 시스템 X의 질량은 오직 산산이 튀어나온 양성자들만을 사용하여 고해상도로 측정될 수 있는가?
• RQ2 중심 배제 생성 메커니즘은 생성된 시스템의 양자수를 어느 정도 제한하는가?
• RQ3 ATLAS 및 CMS 중심 검출기와 주도 양성자 검출기(예: FP420)에서 감지된 부분 사건 간의 연관성은 얼마나 잘 이루어질 수 있는가?
• RQ4 FP420 설정을 사용할 경우 중심 배제 채널에서 X의 질량 해상도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ5 이 채널에서 0++ 상태가 관측될 경우, 이는 표준모형 또는 MSSM 힉스 보존에 대한 직접적 증거가 될 수 있는가?

주요 결과

• 산산이 튀어나온 양성자들만을 사용하여 중심 시스템 X의 질량을 약 ~2 GeV의 해상도로 측정할 수 있다.
• pp → P + X + P를 통한 중심 배제 생성 메커니즘은 오직 0++ 양자수 상태만 선택하므로 스핀과 운동량을 직접 결정할 수 있다.
• 질량 약 120 GeV인 중심 시스템에 대해, 표준 LHC 광학 조건 하에서 양성자들은 상호작용점에서 420m 떨어진 곳에서 빛의 방향으로 나아간다.
• 질량 해상도는 중심 시스템의 붕괴 생성물과 무관하여, 다양한 최종 상태로 붕괴하는 힉스 보존을 탐지하는 데 있어 강건하다.
• 이 방법은 양자수 선택과 고해상도 질량 재구성 덕분에 중심 배제 채널에서 힉스 보존을 직접 식별할 수 있도록 한다.
• Mathematica 6.0로 구현된 분석은 중심 사건과 부분 사건 간의 상관관계를 설명하는 데 상세한 그래픽과 애니메이션을 포함한다.