[논문 리뷰] Predictions for Neutrinos and New Physics from Forward Heavy Hadron Production at the LHC

Luca Buonocore, Felix Kling외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 향방 중량 하드론 생성에 대해 다음 차수 보정 QCD 예측을 부분자 쇄와 매칭한 것으로, 소규모 x 복합화 및 양자화 현상 효과를 포함한다. 이는 쿠아르크 및 뷰티 하드론 붕괴에서 발생하는 뉴트리노 플럭스에 대한 최초의 정밀 추정치를 제공하며, 이를 바탕으로 FASER의 전자기적 아킬라스 입자(ALPs)에 대한 감도를 예측한다. 그 결과, B 붕괴에서의 ALP 생성은 b→s a 전이에 의해 지배되며, 이는 1.1×10⁻³gₑₑ의 결합 상수를 가진다.

ABSTRACT

Scenarios with new physics particles feebly interacting with the Standard Model sector provide compelling candidates for dark matter searches. Geared with a set of new experiments for the detection of neutrinos and long-lived particles the Large Hadron Collider (LHC) has joined the hunt for these elusive states. On the theoretical side, this emerging physics program requires reliable estimates of the associated particle fluxes, in particular those arising from heavy hadron decays. In this work, we provide state-of-the-art QCD predictions for heavy hadron production including radiative corrections at next-to-leading order and using parton distribution functions including small-$x$ resummation at next-to-leading logarithmic accuracy. We match our predictions to parton showers to provide a realistic description of hadronisation effects. We demonstrate the utility of our predictions by presenting the energy spectrum of neutrinos from charm hadron decays. Furthermore, we employ our predictions to estimate, for the first time, FASER's sensitivity to electrophilic ALPs, which are predominantly generated in beauty hadron decays.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 향방 중량 하드론 생성에 대해 정밀한 상태의 QCD 예측을 제공함으로써, 복사 보정 및 소규모 x 복합화를 포함한다.
• 향후 콜리더 뉴트리노 실험을 위해 쿠아르크 및 뷰티 하드론 붕괴에서 발생하는 뉴트리노 플럭스를 보다 정확하게 모델링한다.
• 뷰티 하드론 붕괴에서 발생하는 전자기적 아킬라스 입자(ALPs)에 대한 FASER의 감도를 최초로 추정한다.
• NLO 계산, 부분자 쇄, LHCb로 제약된 PDFs를 통합한 일관된 프레임워크를 사용하여 향방 물리학의 이론적 불확실성을 감소시킨다.

제안 방법

• 중량 쿼크 생성에 대해 다음 차수 보정(NLO) QCD 계산과 부분자 쇄를 매칭하기 위해 Powheg 방법을 사용한다.
• 고정 퍼머런스 스킴에서 질량이 있는 쿼크를 사용하고, Pythia 8.2를 통해 분할 및 양자화를 구현하기 위해 hvq 생성기를 활용한다.
• NNPDF3.1sx+LHCb PDFs를 사용하며, αs = 0.118에서 NLO+NLLx 정확도를 확보하고, BFKL 역학을 통한 소규모 x 복합화를 포함한다.
• 예측을 부분자 쇄와 매칭하여 향방 영역에서의 비중량 양자화 현상 효과를 모델링한다.
• 예측된 플럭스를 붕괴 체적 확률과 콘볼루션하여 검출기 이벤트 수를 추정한다.
• 효과적 라그랑지안 Lasb = gasb b̄sLbR + h.c.을 통해 B 붕괴에서의 ALP 생성률을 계산하며, gasb ≈ 1.1×10⁻³gₑₑ로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서의 향방 쿠아르크 및 뷰티 하드론 붕괴에서 발생하는 뉴트리노의 정밀 에너지 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ2 소규모 x 복합화 및 향상된 PDFs가 향방 중량 하드론 생성 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 200 fb⁻¹의 통합 루미너스티를 가진 Run 3 동안 FASER에서 기대되는 콜리더 뉴트리노 이벤트 수는 얼마인가?
• RQ4 B 붕괴에서 생성된 전자기적 아킬라스 입자(ALPs)에 대해 FASER의 감도는 어떠한가?
• RQ5 다른 모델링 접근 방식(예: 동반자 모델, 배제 모델, 재규격화 모델)은 ALPs의 BR(B→Xsa) 예측에서 어떻게 상호 비교되는가?

주요 결과

• 200 fb⁻¹의 통합 루미너스티를 가진 Run 3 기간 동안 FASERν에서 쿠아르크 하드론 붕괴에서 기대되는 뉴트리노 플럭스는 νₑ에 대해 2.54+1.66⁄−0.80, νμ에 대해 2.52+1.65⁄−0.82, ντ에 대해 0.79+0.53⁄−0.25의 충돌 상호작용으로 예측된다.
• 뷰티 하드론 붕괴에서 기인하는 뉴트리노는 전자 뉴트리노 상호작용에 대해 0.1% 미만의 기여를 하지만 타우 뉴트리노 상호작용에는 약 3% 기여한다.
• B 붕괴에서의 ALP 생성 결합 상수는 gasb = 1.1×10⁻³gₑₑ로 추정되며, 이는 토프 쿼크와 W 보손을 포함한 고리 다이어그램에서 유래된다.
• ALP 에너지 스펙트럼의 불확실성 비율은 에너지 의존성이 강하게 나타나지 않아 스펙트럼 전반에 걸쳐 강건함을 보인다.
• 동반자 모델은 유한한 Xs 질량으로 인한 위상공간 효과로 인해 저에너지 ALP 질량에서 약 20%의 억제를 예측하며, 이 불확실성을 포함하는 것이 타당하다고 판단된다.
• 재규격화 모델은 동반자 모델 및 배제 모델에 비해 포함 브랜칭 비율을 과도하게 예측하여 ALP 생성률 예측에서 모델 의존성이 뚜렷하게 드러난다.