[论文解读] New Physics with Tagged Forward Protons at the LHC

V. A. Khoze, A. D. Martin+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出在大型强子对撞机（LHC）上采用前向质子探测，以提升新物理（特别是通过中心纯态产生，CEP）发现新希格斯玻色子的潜力。通过探测小角度散射的质子，该方法可实现精确的质量重建、量子数确定以及信背比的提升——尤其在MSSM中，信背比可比标准模型（SM）高出两个数量级，尤其在有利的参数区域。

ABSTRACT

The addition of forward proton detectors to LHC experiments will significantly enlarge the potential for studying New Physics. A topical example is Higgs production by the central exclusive diffractive process, pp -> p+H+p. We discuss the exclusive production of Higgs bosons in both the SM and MSSM. Special attention is paid to the backgrounds to the H -> bbbar signal.

研究动机与目标

• 探索LHC上前向质子探测在拓展标准模型之外新物理发现能力方面的潜力。
• 解决在非弹性衍射过程中，由于QCD背景较大，导致在主导$b\bar{b}$衰变模式下探测希格斯玻色子的挑战。
• 证明带有探测质子的中心纯态产生（CEP）可为新共振态提供更优的质量分辨率和量子数识别能力。
• 评估在$\mathcal{L} = 60~{}\text{fb}^{-1}$条件下，利用质子探测事件观测到标准模型（SM）类希格斯玻色子在$WW^{*}$衰变模式下的可行性。
• 识别MSSM参数空间中，CEP可使信背比显著提升的区域，从而实现对希格斯 sector CP 结构和Yukawa耦合的直接探测。

提出的方法

• 采用形式为$pp \to p + X + p$的中心纯态弹性散射过程，其中$X$为中间产生的共振态，出射质子通过前向质子探测器探测。
• 应用$J_z = 0$选择规则，以确保标量态具有C-和P-偶的量子数，从而实现对希格斯类共振态的明确识别。
• 采用包含屏蔽胶子的胶子融合振幅，以保持色单重结构，确保末态的高纯度。
• 对SM和MSSM希格斯玻色子在CEP过程中的截面进行计算，包括其衰变到$WW$、$b\bar{b}$及其他末态的分支比。
• 通过模拟探测器接受度、触发效率（如$WW$模式下约20%）以及利用动量学切片和缺失质量重建技术，评估实验可行性。
• 评估高亮度下堆叠效应对于CEP信号探测的影响，强调需优化触发阈值和背景控制策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准模型产生相比，LHC上的前向质子探测是否能显著提升在$b\bar{b}$衰变模式下希格斯玻色子探测的信背比？
• RQ2 在MSSM中，中心纯态产生在多大程度上提升了对希格斯玻色子（特别是较重的CP奇异性$A$和中性$H$态）的发现潜力？
• RQ3 在纯态弹性散射过程中，$J_z = 0$选择规则如何实现对新共振态量子数的明确确定？
• RQ4 在$\mathcal{L} = 60~{}\text{fb}^{-1}$条件下，SM希格斯玻色子通过CEP在$WW^{*}$衰变模式下的预期事例率是多少？是否可在当前触发阈值下实现探测？
• RQ5 在MSSM参数空间的哪些区域，$H \to b\bar{b}$在CEP过程中的信背比相比SM可提升高达两个数量级？

主要发现

• 在SM中，通过CEP产生并在$b\bar{b}$衰变模式下探测希格斯玻色子的信背比约为1，但在有利的MSSM参数区域，该比值可提升高达两个数量级。
• 对于质量在140 GeV至200 GeV之间的SM类希格斯玻色子，在$\mathcal{L} = 60~{}\text{fb}^{-1}$条件下，预计在$WW^{*}$衰变模式下可探测到若干十例事件，经筛选和触发效率修正后仍可观测。
• 对$WW^{*}$末态的触发是可行的，标准轻子触发效率约为20%，通过降低一级触发阈值可使事例数翻倍。
• $J_z = 0$选择规则可抑制一阶QCD $b\bar{b}$产生过程，抑制因子约为$(m_b/E_T)^2$，显著降低低质量希格斯玻色子的背景。
• 前向质子探测可直接测量希格斯玻色子对底夸克的Yukawa耦合，通过$H \to b\bar{b}$衰变模式实现，而该过程在QCD背景中通常被掩盖。
• 该方法为MSSM希格斯sector中的CP结构提供了独特的探测手段，可通过探测质子的方位角不对称性或衰变产物的相关性实现，为线性对撞机研究提供潜在替代方案。