[논문 리뷰] Photon-Photon interactions in proton-proton collisions at the LHC

M. Dyndał, L. Schoeffel|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 11.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 양성자-양성자 충돌에서 배제적 광자-광자 상호작용을 계산하기 위한 종합적인 프레임워크를 제시하며, 저질량 및 고질량 최종 상태 모두에서 양성자의 유한한 크기 효과를 포함한다. 이 방법은 W-쌍 및 힉스 보존 생성과 같은 과정의 단면적을 정확하게 예측하며, 기존 LHC 데이터와 강한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Photon-photon interactions represent an important class of physics processes at the LHC, where quasi-real photons are emitted by both colliding protons. These reactions can result in the exclusive production of a final state $X$, $p+p ightarrow p+p+X$. When computing such cross sections, it has already been shown that finite size effects of colliding protons are important to consider for a realistic estimate of the cross sections. These first results have been essential in understanding the physics case of heavy-ion collisions in the low invariant mass range, where heavy ions collide to form an exclusive final state like a $J/\Psi$ vector meson. In this paper, our purpose is to present some calculations that are valid also for the exclusive production of high masses final states in proton-proton collisions, like the production of a pair of $W$ bosons or the Higgs boson. Therefore, we propose a complete treatment of the finite size effects of incident protons irrespective of the mass range explored in the collision. Our expectations are shown to be in very good agreement with existing experimental data obtained at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 유한한 양성자 크기 효과의 처리를 저질량 배제적 과정을 초과하여 양성자-양성자 충돌에서 고질량 최종 상태로 확장하는 것.
• 히iggs 보존 및 W-보존 쌍과 같은 무거운 공명의 배제적 생성에 적용 가능한 통합 이론적 프레임워크를 제공하는 것.
• 현실적인 양성자 구조와 크기 효과를 고려하여 배제적 광자-광자 과정의 단면적 추정치를 향상시키는 것.
• 기존 LHC 실험 데이터를 기반으로 배제적 최종 상태에 대해 모델을 검증하는 것.

제안 방법

• 계산은 양성자의 전자기적 구조를 모델링하기 위해 형상 인자 방법을 사용하여 유한한 크기 효과를 포함한다.
• 이 프레임워크는 두 양성자를 준실재 광자들을 발생시키는 원천으로 간주하며, 그들의 유한한 크기가 광자 파동함수와 상호작용 단면적에 영향을 준다.
• 이 방법은 X의 인variant 질량에 관계없이 p+p → p+p+X의 배제적 최종 상태에 적용된다.
• 점입자 근사에서의 이격을 보정하기 위해 양성자의 전하 반경과 전자기 형상 인자를 일관되게 처리한다.
• 이 방법은 γγ 융합을 통한 힉스 보존 및 W-보존 쌍 생성과 같은 고질량 과정에 적용된다.
• 예측 능력을 평가하기 위해 모델은 LHC의 실험 데이터와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 양성자 크기 효과가 고인variant 질량에서의 양성자-양성자 충돌에서의 배제적 광자-광자 생성 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 양성자의 유한한 크기를 포함함으로써 고질량 배제적 최종 상태에 대한 LHC 데이터와의 일치도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 통합 이론적 프레임워크는 pp 충돌에서 저질량 및 고질량 배제적 γγ 과정을 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ4 두 광자 융합을 통한 힉스 보존 및 W-쌍 생성에 대해 유한한 크기 보정은 얼마나 중요한가?
• RQ5 LHC의 기존 실험 측정치와 비교할 때 모델의 예측 능력은 어떠한가?

주요 결과

• 유한한 양성자 크기 효과를 포함함으로써 전체 질량 범위에서의 배제적 단면적 예측 정확도가 크게 향상된다.
• 모델은 기존 LHC 실험 데이터와 배제적 최종 상태에서 매우 양호한 일치를 보인다.
• 유한한 크기 보정은 저질량 과정 뿐 아니라 힉스 보존 및 W-보존 쌍과 같은 고질량 최종 상태에도 필수적이다.
• 이 프레임워크는 하나의 일관된 접근 방식으로 저질량 및 고질량 배제적 과정을 성공적으로 처리한다.
• 결과는 광자-광자 융합을 통한 고질량 배제적 생성에서도 양성자 구조 효과를 무시할 수 없다는 것을 확인한다.