[論文レビュー] Photon-Photon interactions in proton-proton collisions at the LHC

M. Dyndał, L. Schoeffel|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける陽子-陽子衝突における排他的光子-光子相互作用を計算する包括的なフレームワークを提示する。低質量および高質量の最終状態の両方において、陽子の有限サイズ効果を組み込む。W-ボソン対やヒッグス粒子の生成といった過程の断面積を正確に予測し、既存のLHCデータと強い一致を示す。

ABSTRACT

Photon-photon interactions represent an important class of physics processes at the LHC, where quasi-real photons are emitted by both colliding protons. These reactions can result in the exclusive production of a final state $X$, $p+p ightarrow p+p+X$. When computing such cross sections, it has already been shown that finite size effects of colliding protons are important to consider for a realistic estimate of the cross sections. These first results have been essential in understanding the physics case of heavy-ion collisions in the low invariant mass range, where heavy ions collide to form an exclusive final state like a $J/\Psi$ vector meson. In this paper, our purpose is to present some calculations that are valid also for the exclusive production of high masses final states in proton-proton collisions, like the production of a pair of $W$ bosons or the Higgs boson. Therefore, we propose a complete treatment of the finite size effects of incident protons irrespective of the mass range explored in the collision. Our expectations are shown to be in very good agreement with existing experimental data obtained at the LHC.

研究の動機と目的

• 陽子の有限サイズ効果の取り扱いを、低質量排他的過程にとどまらず、高質量最終状態の陽子-陽子衝突へと拡張すること。
• ヒッグス粒子やW-ボソン対のような重い共鳴子の排他的生成に適用可能な統一的理論的フレームワークを提供すること。
• 現実的な陽子構造とサイズ効果を考慮することで、排他的光子-光子過程の断面積推定を改善すること。
• 排他的最終状態の既存LHC実験データと比較して、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 陽子の有限サイズ効果は、陽子の電磁的構造をモデル化するためのフォーム因子アプローチを用いて取り入れられる。
• フレームワークは、両方の陽子を準実在光子の源として扱い、その有限サイズが光子波動関数および相互作用断面積に影響を与えることを考慮する。
• この手法は、p+p → p+p+X における排他的最終状態Xに、Xのインヴァリアント質量にかかわらず適用可能である。
• 点粒子近似からのずれを補正するために、陽子の電荷半径と電磁フォーム因子を一貫して取り扱う。
• このアプローチは、γγ融合によるヒッグス粒子やW-ボソン対生成のような高質量過程に適用される。
• モデルの予測力の評価のため、LHCからの実験データをベンチマークとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高インヴァリアント質量における陽子-陽子衝突における、有限陽子サイズ効果が排他的光子-光子生成断面積にどのように影響を与えるか。
• RQ2 陽子の有限サイズを組み込むことで、高質量排他的最終状態のLHCデータとの一致度がどの程度向上するか。
• RQ3 統一的理論的フレームワークが、pp衝突における低質量および高質量の排他的γγ過程を正確に記述できるか。
• RQ4 ヒッグス粒子やW-ボソン対生成における2光子融合の文脈で、有限サイズ補正はどの程度重要か。
• RQ5 LHCにおける既存の実験測定と比較した場合、モデルの予測力はどの程度か。

主な発見

• 陽子の有限サイズ効果を組み込むことで、全質量範囲にわたる排他的断面積予測の正確性が顕著に向上する。
• モデルは、排他的最終状態の既存LHC実験データと非常に良好な一致を示す。
• 有限サイズ補正は、低質量過程にとどまらず、ヒッグス粒子やW-ボソン対のような高質量最終状態に対しても不可欠である。
• フレームワークは、一貫したアプローチで低質量および高質量の排他的過程を両方とも適切に扱える。
• 結果から、光子-光子融合による高質量排他的生成においても、陽子構造効果を無視することはできないことが確認された。