[논문 리뷰] Probing double parton scattering with leptonic final states at the LHC

Jonathan R. Gaunt, C. H. Kom외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 순수하게 렙톤 끝 상태를 사용하여 이중 파트온 산란(DPS)을 조사하며, 같은 전하의 $W^\pm W^\pm$ 쌍, 이중 Drell–Yan, 그리고 $J/\psi$ 쌍을 중심으로 다룬다. DPS와 단일 파트온 산란(SPS) 배경을 구분하기 위해 렙톤 쌍 간의 빠르기 차이를 사용하는 것을 제안하며, 특히 $J/\psi$ 쌍 생성에서 단면적이 크고 복사 효과에 강건한 운동량 변수 덕분에 DPS 기여도가 높은 유의미성으로 분리될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We discuss the prospects of observing double parton scattering (DPS) processes with purely leptonic final states at the LHC. We first study same-sign W pair production, which is particularly suited for studying momentum and valence number conservation effects, followed by discussions on double Drell-Yan and production of J/psi pairs. The effects of initial state and intrinsic transverse momentum smearing on pair-wise transverse momentum balance characteristic to DPS are studied quantitatively. We also present a new technique, based on rapidity differences, to extract the DPS component from a double J/psi sample recently studied at the LHCb.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 순수 렙톤 끝 상태에서 이중 파트온 산란(DPS) 관측 가능성 탐색을 목적으로 하며, 이는 하드론 끝 상태보다 더 깔끔한 서명과 더 정밀한 측정을 가능하게 한다.
• 같은 전하의 $W^\pm W^\pm$ 생성에서 특히, 운동량 및 복소수 번호 보존 제약 조건이 DPS 과정에 어떻게 나타나는지 조사한다.
• 이중 $J/\psi$ 생성에서 DPS와 SPS 기여도를 분리하기 위한 새로운 방법을 개발하고 테스트하며, 렙톤 쌍 간의 빠르기 차이를 기반으로 한다.
• 최근 LHCb에서의 이중 $J/\psi$ 생성 데이터가 단면적이 크고 빠르기 기반 관측량이 운동량에 강건하기 때문에, 이미 DPS 성분을 이미 관측할 수 있는 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• 연구는 CDF에서 결정한 $\sigma_{\text{eff}} = 14.5$ mb를 사용하여 이중 파트온 산란 단면적 공식 $\sigma^{DPS}_{(A,B)} = \frac{m}{2} \frac{\sigma_A \sigma_B}{\sigma_{\text{eff}}}$를 사용하여 DPS 기여도를 모델링한다.
• 질량 중심 프로톤 내의 파트온 상관관계를 기술하기 위해 인자화된 이중 파트온 분포(dPDF) 형식 $\Gamma_{ij}(x_1,x_2,b) = D_i(x_1)D_j(x_2)F(b)$를 적용한다.
• 이중 $\mu^+\mu^-$ 쌍 간의 빠르기 차이 $|\Delta y|$를 도입하여 DPS와 SPS를 구분하는 데 유용한 운동량 변수로 사용하며, 이는 초기 상태 복사 및 내재된 횡방향 운동량 스메어링에 민감하지 않다.
• 이중 $J/\psi$ 생성의 경우, 뮤온 쌍의 정확한 조합은 그들의 진동 질량이 $J/\psi$ 질량 근처에 있도록 요구함으로써 결정되며, 이는 이벤트 재구성에서의 모호성을 줄인다.
• 파트온 쇼어링 및 내재된 횡방향 운동량($p_T$) 스메어링 효과를 포함하여 실제 검출기 수준의 운동량 구조를 시뮬레이션하고, 핵심 관측량인 균형 변수 $S$에 미치는 영향을 평가한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 DPS와 SPS 분포를 $S$ 및 $|\Delta y|$에서 비교함으로써 방법의 유효성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 같은 전하의 $W^\pm W^\pm$ 생성은 이중 파트온 산란에서 운동량 및 복소수 번호 보존을 깨끗이 탐지할 수 있는가?
• RQ2 초기 상태 복사 및 내재된 횡방향 운동량은 DPS 과정에서 횡방향 운동량 균형에 어떤 영향을 미치며, 이러한 영향은 운동량 관측량에서 어떻게 완화될 수 있는가?
• RQ3 이중 $J/\psi$ 생성에서 이중 $\mu^+\mu^-$ 쌍 간의 빠르기 차이가 DPS와 SPS 기여도를 신뢰성 있게 분리하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 최근 LHCb에서의 이중 $J/\psi$ 생성 데이터는 이미 뚜렷한 DPS 성분을 보이고 있으며, 현재의 절단 조건과 관측량으로 이를 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 양성 렙톤 가짜 빠르기 비대칭성 $a_{\eta_l}$는 최소 가짜 빠르기 절단 $\eta^{\text{min}}_l$가 증가함에 따라 양성으로 예측되며, 이는 같은 전하의 $W^\pm W^\pm$ 생성에서 운동량 및 복소수 번호 보존에 민감한 서명을 제공한다.
• 쌍 간 균형 변수 $S$는 초기 상태 복사 및 내재된 $p_T$ 스메어링에 매우 민감하여 현실 조건에서 DPS 식별에 덜 신뢰할 수 있다.
• 이중 $\mu^+\mu^-$ 쌍 간의 빠르기 차이 $|\Delta y|$는 복사 및 $p_T$ 스메어링 영향을 견디며 안정적이며, 큰 $|\Delta y|$에서 DPS 이벤트에서 분명한 증가가 관측된다.
• 14 TeV에서 이중 $J/\psi$ 생성의 경우 DPS 단면적은 7.69 pb이고 SPS 단면적은 2.62 pb이며, 최소 $|\Delta y|$ 절단을 적용할수록 DPS 비율이 크게 증가한다.
• DPS의 경우 $m_{J/\psi J/\psi}$ 진동 질량 분포가 SPS보다 더 높은 값에서 피크를 이룬다. 이는 데이터에 대한 병합 피팅을 통해 DPS 기여도를 추출할 수 있음을 시사한다.
• 더 많은 LHC 데이터를 확보하면 최소 $|\Delta y|$ 절단을 통해 고순도의 DPS 샘플을 분리할 수 있으며, 이는 이중 $J/\psi$ 이벤트에서 DPS 존재를 확인하는 데 강력한 도구가 될 수 있다.