[論文レビュー] Anomalous trilinear and quartic $WW\gamma$, $WW\gamma\gamma$, $ZZ\gamma$ and $ZZ\gamma\gamma$ couplings in photon induced processes at the LHC

C. R. Royon, É. Chapon+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける光子誘発反応を用いて、異常な三線形および四線形WWγ、WWγγ、ZZγ、ZZγγ結合を調査する。初期データとして10–100 pb⁻¹を用いることで、LEPの結果と比較して感度を約3桁向上させ、四線形結合を探索可能であると提言する。さらに、220/420 mに位置する前方陽子タッカーを用いることで、高インテンシティ条件下で感度をさらに2桁向上させることができる。

ABSTRACT

We first report on possible measurements at the LHC using the first data and a luminosity of 10 pb$^{-1}$ of $W$ and $Z$ pair production via two-photon exchange. This measurement allows in particular to increase the present sensitivity on $WW\gamma \gamma$ and $ZZ\gamma \gamma$ quartic anomalous couplings from the LEP experiments by almost three orders of magnitude. We also discuss the possible improvements on quartic and trilinear anomalous couplings at high luminosity at the LHC using new forward proton taggers to be installed at 220 and 420 m from the CMS or ATLAS detectors.

研究の動機と目的

• 10–100 pb⁻¹の光度における初期データを用いて、LHCが異常な四線形WWγγおよびZZγγ結合にどの程度感度を持つのかを評価すること。
• インタラクションポイントから220 mおよび420 mの位置に設置された前方陽子タッカーを用いることで、四線形および三線形の異常結合に及ぼす感度の向上可能性を評価すること。
• 排他的最終状態を介した光子誘発WおよびZ対生成における標準模型からの逸脱を検出可能かどうかを検証すること。
• 特にヒッグスなしモデルなど、大きな異常結合を予測するモデルに対して、既存のLEPの限界値と比較して感度がどの程度向上するかを定量化すること。
• 二レプトン最終状態におけるクリアな信号識別を実現するためのイベント選別およびバックグラウンド抑制の最適化を行うこと。

提案手法

• 異常結合を含む光子誘発pp → pWWpおよびpp → pZZp反応をシミュレートするために、FPMCモンテカルロジェネレータを用いる。
• 次元6のオペレーターを介して、γγWWおよびγγZZ頂点における最低次元の異常結合を有効ラグランジアンに組み込む。QED過程の生存確率は0.9とする。
• 厳密な排他的性カットを適用：2つの高pTレプトン（e/μ）が存在し、他の再構成オブジェクトやエネルギーフローがなく、欠落横断運動量>20 GeVであること。
• QEDバックグラウンドを抑制するため、最初のレプトンにpT > 160 GeVの条件を課し、タイムング検出器を用いて散乱陽子をタグして積層効果を排除する。
• λγの受容性を最適化するため、ξ > 0.05のカットを適用し、S/√Bを最大化するために、∆κγの全前方検出器受容性を活用する。
• 5σ発見境界および結合パラメータの95%信頼水準（C.L.）限界を求める統計的解析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCは、10–100 pb⁻¹のデータのみを用いても、LEPの結果と比較して、異常な四線形WWγγおよびZZγγ結合に対して著しく高い感度を達成できるか？
• RQ2 220 mおよび420 mに設置された前方陽子タッカーは、高インテンシティ条件下で異常結合に及ぼす感度向上にどのように寄与するか？
• RQ3 LHCは、現在のハドロン衝突実験およびLEPの限界値を上回る範囲で、三線形WWγおよびZZγ結合をどの程度まで探査できるか？
• RQ4 √s = 10 TeVにおける二光子融合による排他的WおよびZ対生成の信号対バックグラウンド比は予想されるか？
• RQ5 異常結合は、Wγγ最終状態におけるγγインvariant質量分布にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 10 pb⁻¹のデータで、LHCはaW₀/Λ²に対して95% C.L.で約2.2 × 10⁻⁴ GeV⁻²の感度を達成し、LEPのOPAL限界値をほぼ3桁向上させた。
• 100 pb⁻¹のデータでは、aW₀/Λ²の感度が約1.0 × 10⁻⁴ GeV⁻²に向上し、初期データ段階での有効性を示した。
• 三線形結合に対しては、30 fb⁻¹のデータで5σ発見境界が∆κγで0.043、λγで0.034に達し、直接的なハドロン衝突実験の限界値をそれぞれ12倍および4倍改善した。
• 200 fb⁻¹のデータで、∆κγおよびλγの感度は現在のハドロン衝突実験の限界値を約30倍、LEPの間接的限界値を5倍向上させた。
• 200 fb⁻¹のデータで、Wγγ > 1 TeVのイベント数は約400件に達すると予想され、高質量γγ領域におけるSMおよびBSM物理学の高統計的検証が可能になる。
• 排他的性および運動量カットを適用した後、非弾性、QED、二重ポメロン交換過程からのバックグラウンドは、無視できる程度に抑制された。