[논문 리뷰] Photon-induced Background for Dilepton Searches and Measurements in pp Collisions at 13 TeV

D. Bourilkov|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 13 TeV에서의 pp 충돌에서 Drell-Yan 및 광자 유도(PI) 이론립 생성에 대한 세부 계산을 제시하며, 특히 광자가 양성자에서 방출되어 상호작용하는 PI 과정이 고임의질량 탐색에서 무시할 수 없는 배경 기여를 한다고 강조한다. MRST2004qed (Mem1) 및 NNPDF23qed PDF를 사용하여, PI 효과가 검출기의 중심부에서 최고에 이르며 고질량에서 가장 두드러지게 나타나며, 특히 NNPDF23qed는 큰 불확실성을 보임을 발견하였다. 이 연구는 특히 750 GeV 이중광자 초과 현상에 대비하여 신뢰할 수 있는 고질량 탐색을 위해 MRST2004qed (Mem1)와 같이 안정된 PDF를 사용할 것을 권장한다.

ABSTRACT

The production of high invariant mass opposite sign lepton pairs in proton-proton collisions at the LHC is dominated by the Drell-Yan process. In addition to this photon or Z exchange mediated mechanism, gamma-gamma collisions, where photons radiated by the incoming protons collide, can produce lepton pairs. This is an important additional source of background for high mass resonant (like Z') or non-resonant (like contact interactions) searches. In this paper detailed calculations of the Drell-Yan and photon-induced cross sections in the typical acceptance of a multi-purpose LHC detector at center of mass energy 13 TeV are presented. The hint for a diphoton excess at a mass around 750 GeV, reported by the ATLAS and CMS experiments from the analysis of the 2015 data at 13 TeV, raises the possibility that such an excess could be produced through gamma-gamma collisions. A good theoretical understanding and measurements in the dilepton channels at these energies can help to elucidate this production hypothesis.

연구 동기 및 목표

• LHC의 13 TeV 중심질량 에너지에서 고임의질량 탐색에 있어 광자 유도(PI) 이론립 생성이 차지하는 배경 기여를 정량화하는 것.
• 특히 MRST2004qed (Mem0/Mem1) 및 NNPDF23qed와 같은 다양한 광자 PDF가 일반적인 검출기 수용 범위 내에서 PI 단면적에 미치는 영향을 평가하는 것.
• ATLAS 및 CMS가 관측한 750 GeV 이중광자 초과 현상이 광자-광자 충돌에 의해 설명될 수 있는지, 이를 위해 이론적 모델링이 정밀하게 수행되어야 하는 이론립 채널을 평가하는 것.
• 이론립 최종 상태에서 새로운 물리 신호와 PI 배경을 구별하기 위한 신뢰할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• Drell-Yan 및 광자 유도 단면적 계산은 전기약력 보정을 포함한 다음차순 정밀도(NLO)에서 FEWZ 프로그램을 사용하여 수행된다.
• 양성자 내 광자 함량을 모델링하기 위해 MRST2004qed (현재 쿼크 질량 절단 Mem0 및 구성 쿼크 질량 절단 Mem1) 및 NNPDF23qed PDF를 사용한다.
• 연구는 Gμ 입력 체계를 사용하며, 2계 수준까지의 양자 chromodynamics(QCD) 및 양자 전기역학(QED) 결합 효과와 규격화군의 실행을 포함한다.
• PI 기여의 공간적 및 운동학적 행동을 평가하기 위해, (DY + PI)/DY 비율의 빠르기 및 임의질량 분포를 계산한다.
• 완전한 FEWZ 결과와 비교하기 위해, α/αs 스케일링과 실행 결합을 기반으로 한 단순화된 KISS 추정치를 개발하고 검증한다.
• 분석은 특히 고질량 이론립 밴드(예: 700–830 GeV 및 2–3 TeV)에 대해 일반적인 LHC 검출기 수용 범위에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 고임의질량 이론립 탐색에 있어 광자 유도 배경은 Drell-Yan 과정에 비해 얼마나 중요할까?
• RQ2 MRST2004qed (Mem0/Mem1) 또는 NNPDF23qed와 같은 광자 PDF 세트 중에서 고질량 영역에서 PI 단면적 예측에 가장 신뢰할 수 있는 것은 무엇인가?
• RQ3 LHC 및 ZEUS 데이터의 실험적 제약 조건은 특히 높은 初기 광자 운동량 분율을 가진 광자 PDF 매개변수화를 어느 정도 배제하는가?
• RQ4 750 GeV 이중광자 초과 현상은 광자-광자 충돌에 의해 설명될 수 있으며, 이 가정은 이론립 채널 측정을 통해 얼마나 잘 검증될 수 있는가?
• RQ5 특히 빠르기에서의 PI 기여 운동학적 분포는 고질량 탐색에서 배경 감소 및 신호 탐지에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 광자 유도 기여는 검출기의 중심부에서 최고에 이르며, 수용 범위의 끝부분으로 갈수록 감소한다. 특히 고임의질량에서 가장 두드러진다.
• 700–830 GeV 질량 밴드에서는 PI 효과가 중심 빠르기 영역에서 가장 두드러지며, 특히 NNPDF23qed PDF를 사용할 경우 수용 범위의 끝부분 근처에서 다시 증가한다.
• NNPDF23qed PDF는 고질량에서 큰 불확실성을 보이며, 이로 인해 수용 범위 끝부분에서 (DY+PI)/DY 비율이 경우에 따라 최대 10배까지 급격히 증가하여 고질량 분석에 있어 덜 신뢰할 수 있다.
• 구성 쿼크 질량을 사용한 MRST2004qed (Mem1) PDF는 ZEUS 및 CMS 데이터와 일치하며, 고질량에서 Mem0 또는 NNPDF23qed보다 더 안정적이고 현실적인 예측을 제공한다.
• α/αs 스케일링과 실행 결합을 기반으로 한 KISS 추정치는 MRST2004qed를 사용한 완전한 FEWZ 계산과 잘 일치하여, PI 기여를 신속하게 점검하는 데 사용될 수 있음을 검증한다.
• 연구는 고질량 이론립 탐색에서 NNPDF23qed에서 관찰된 물리적으로 부적절한 증가 현상을 피하기 위해 MRST2004qed (Mem1) 또는 CT14QED와 같이 더 안정된 최신 PDF를 사용할 것을 권장한다.