[논문 리뷰] Semi-elastic cross section for a scalar resonance of mass 750 GeV

İ. Şahin|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 등가 광자 근사와 효과적 라그랑지안 형식을 사용하여 양성자-양성자 충돌에서 광자 유도 과정을 통한 750 GeV 스칼라 리조넌스의 반탄성 생성을 조사한다. $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$를 중심으로 분석하며, $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi\gamma Z$ 결합에 대한 단면적을 계산한다. 결과적으로 전방 검출기가 이러한 과정을 분리할 수 있으며, 반탄성 채널이 특히 고광도 LHC 운용에서 결합 상수에 대한 경쟁 가능한 민감도를 제공한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We assume that the recently reported excess over Standard Model expectations in the diphoton production is originated from a new scalar boson phi which interacts with photons through the coupling proportional to phi F^2. We obtain the cross section for semi-elastic production process pp-> p gamma p-> p phi q X by considering phi-photon-photon and phi-photon-Z couplings and discuss the constraints on the coupling parameters. We investigate the potential of the semi-elastic production process to probe phi-photon-photon and phi-photon-Z.

연구 동기 및 목표

• 750 GeV 스칼라 리조넌스 $\phi$의 양성자-양성자 충돌에서 광자 융합를 통한 반탄성 생성 단면적을 평가하기 위해.
• 효과적 장 이론을 사용하여 반탄성 과정이 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi\gamma Z$ 결합에 대해 얼마나 민감한지 평가하기 위해.
• 전방 검출기가 반탄성 $\phi$ 생성을 고립하고 측정할 잠재력을 규명하기 위해.
• LHC가 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 운용될 경우, 전체 및 전방 검출기 수용 조건에서의 단면적을 비교하기 위해.

제안 방법

• 반탄성 과정에서의 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi\gamma Z$ 결합을 모델링하기 위해 효과적 라그랑지안 $\mathcal{L} = c_{\gamma\gamma}\phi F^{\mu\nu}F_{\mu\nu} + c_{\gamma z}\phi F^{\mu\nu}Z_{\mu\nu}$ 를 사용한다.
• 양성자에서의 광자 방출을 모델링하기 위해 등가 광자 근사를 적용하며, $dN_\gamma/dx_1$ 는 양성자 전자기 형상인자로부터 유도된다.
• MSTW2008에서 유도된 파arton 분포 함수 $dN_q/dx_2$ 를 통합하여 부분 입자 반응 단면적 $\hat{\sigma}_{\gamma q \to \phi q}$ 를 계산한다.
• 전체 $x_1 \in (0, 1 - m_p/E)$ 통합과 전방 검출기 수용을 시뮬레이션하기 위한 제한된 수용 $\xi \in (0.015, 0.15)$ 을 고려한다.
• 모든 쿼크 종류($u,d,s,c,b$ 및 반입자)에 대해 합산하여 총 단면적을 계산한다.
• 다양한 루미노시티와 중심질량 에너지에서 95% 신뢰수준에서 $c_{\gamma\gamma}$–$c_{\gamma z}$ 매개변수 공간의 민감도 한계를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 $\sqrt{s} = 13$ TeV 조건에서 $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$를 통해 생성된 750 GeV 스칼라 리조넌스에 대한 반탄성 단면적의 크기는 얼마인가요?
• RQ2 $\phi\gamma\gamma$ 및 $\phi\gamma Z$ 결합은 반탄성 생성률에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 전방 검출기는 반탄성 $\phi$ 생성의 고립 및 측정을 어느 정도 향상시킬 수 있나요?
• RQ4 고광도 LHC에서 반탄성 과정을 통한 $c_{\gamma\gamma}$ 및 $c_{\gamma z}$ 의 민감도 한계는 무엇인가요?
• RQ5 단면적은 중심질량 에너지와 검출기 수용 범위에 따라 어떻게 달라지나요?

주요 결과

• 전체 $x_1$ 통합 조건에서 $\phi \to \gamma\gamma$ 분해비를 고려할 경우, $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$의 총 반탄성 단면적은 5 fb 이하로 추정된다.
• 단면적은 $c_{\gamma\gamma}$ 및 $c_{\gamma z}$ 에 비례하여 증가하며, 주로 $\gamma q \to \phi q$ 부분 반응이 지배하므로 $c_{\gamma\gamma}$ 에 더 강한 의존성을 보인다.
• 전방 검출기 수용 범위 $0.015 < \xi < 0.15$ 조건에서는 비탄성 과정에 의한 배경가 억제되어 전체 통합 대비 단면적이 크게 증가한다.
• $\sqrt{s} = 13$ TeV 및 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 조건에서 반탄성 채널은 95% 신뢰수준에서 $c_{\gamma\gamma}$ 를 약 $10^{-3}$ GeV$^{-1}$ 이하, $c_{\gamma z}$ 를 약 $10^{-3}$ GeV$^{-1}$ 이하까지 탐색할 수 있다.
• $\phi\gamma Z$ 결합은 특히 $c_{\gamma z}$ 가 높을수록 단면적에 상당한 기여를 하며, 충분한 루미노시티가 확보되면 측정 가능하다.
• 본 연구는 반탄성 과정가 탄성 이중광자 생성과 경쟁 가능한 보완 채널로서, $\phi$ 가 광자 및 $Z$ 보손과의 결합을 탐색하는 데 유용하다는 것을 입증한다.