[论文解读] Photon-induced Background for Dilepton Searches and Measurements in pp Collisions at 13 TeV

D. Bourilkov|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 12

一句话总结

本文对13 TeV质子-质子碰撞中Drell-Yan过程与光子诱导（PI）双轻子产生进行了详细计算，强调了光子从质子中辐射并发生碰撞的PI过程在高不变质量搜索中构成显著背景。利用MRST2004qed（Mem1）和NNPDF23qed部分子分布函数（PDF），研究发现PI效应在探测器中央区域最强，且在高质质量区最为显著，其中NNPDF23qed表现出较大不确定性；研究建议在高质质量搜索中使用行为良好的PDF（如MRST2004qed，Mem1），尤其是在750 GeV双光子共振假设的背景下。

ABSTRACT

The production of high invariant mass opposite sign lepton pairs in proton-proton collisions at the LHC is dominated by the Drell-Yan process. In addition to this photon or Z exchange mediated mechanism, gamma-gamma collisions, where photons radiated by the incoming protons collide, can produce lepton pairs. This is an important additional source of background for high mass resonant (like Z') or non-resonant (like contact interactions) searches. In this paper detailed calculations of the Drell-Yan and photon-induced cross sections in the typical acceptance of a multi-purpose LHC detector at center of mass energy 13 TeV are presented. The hint for a diphoton excess at a mass around 750 GeV, reported by the ATLAS and CMS experiments from the analysis of the 2015 data at 13 TeV, raises the possibility that such an excess could be produced through gamma-gamma collisions. A good theoretical understanding and measurements in the dilepton channels at these energies can help to elucidate this production hypothesis.

研究动机与目标

• 量化大型强子对撞机（LHC）13 TeV质心系能量下，高不变质量双轻子搜索中光子诱导（PI）双轻子产生的背景贡献。
• 评估不同光子PDF（特别是MRST2004qed（Mem0/Mem1）和NNPDF23qed）对典型探测器接受度范围内PI截面的影响。
• 评估LHC和ZEUS实验数据对特定光子PDF参数化的限制程度，特别是初始光子动量分数较高的参数化形式。
• 评估ATLAS和CMS实验观测到的750 GeV双光子共振是否可能由γ-γ碰撞解释，这需要对双轻子道进行精确的理论建模。
• 为在双轻子末态中区分新物理信号与PI背景，提供可靠的理论框架。

提出的方法

• 使用FEWZ程序，结合下一阶微扰（NLO）下的完整电弱修正，计算Drell-Yan与光子诱导截面。
• 采用MRST2004qed（含当前夸克质量截断Mem0与组成夸克质量截断Mem1）和NNPDF23qed的光子PDF，以描述质子中的光子组分。
• 采用Gμ输入方案，并包含QCD与QED耦合常数的重整化群运行至两圈阶。
• 计算(DY + PI)/DY的快度与不变质量分布，以评估PI贡献的空间分布与运动学行为。
• 提出一种基于α/αs标度与耦合常数运行的简化KISS估计方法，并与完整FEWZ结果对比以验证其有效性。
• 分析聚焦于典型LHC探测器接受度窗口，特别是高质质量双轻子区段（如700–830 GeV与2–3 TeV）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV高不变质量双轻子搜索中，光子诱导背景相对于Drell-Yan过程的贡献有多大？
• RQ2 在高质质量区域，MRST2004qed（Mem0/Mem1）与NNPDF23qed哪套光子PDF能提供更可靠的PI截面预测？
• RQ3 LHC与ZEUS实验数据在多大程度上排除了初始光子动量分数较高的光子PDF参数化形式？
• RQ4 750 GeV双光子共振是否可由γ-γ碰撞解释？该假设在双轻子道测量中能多好地被检验？
• RQ5 PI贡献的运动学分布（尤其是快度分布）在高质质量搜索中对背景抑制与信号探测有何影响？

主要发现

• 光子诱导贡献在探测器中央区域达到峰值，并向接受度边缘逐渐减弱，其效应在高不变质量区域最为显著。
• 在700–830 GeV质量区间，PI效应在中央快度区最明显，并在接近接受度边缘时再次增强，尤其在使用NNPDF23qed PDF时更为显著。
• NNPDF23qed PDF在高质质量区表现出巨大不确定性，导致在接受度边缘处(DY+PI)/DY比值急剧上升，某些情况下甚至达到10倍之多，使其在高质质量分析中可靠性较低。
• MRST2004qed（Mem1）PDF（采用组成夸克质量）与ZEUS及CMS实验数据相容，且在高质质量区表现出更稳定、更合理的预测，优于Mem0或NNPDF23qed。
• 基于α/αs标度与耦合常数运行的KISS估计与使用MRST2004qed的完整FEWZ计算结果高度一致，验证了其作为PI效应快速检验工具的有效性。
• 研究结论认为，为避免NNPDF23qed中出现的非物理增强现象，建议在高质质量双轻子搜索中使用MRST2004qed（Mem1）或更新的、行为良好的PDF（如CT14QED）。