[論文レビュー] Predictions for Neutrinos and New Physics from Forward Heavy Hadron Production at the LHC

Luca Buonocore, Felix Kling+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

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

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるフォワード重いハドロン生成に対して、次-leading-order QCD予測とパートンシャワーをマッチングした結果を提示し、小xリスキーム化とハドロン化効果を含む。これは、charmおよびbeautyハドロン崩壊からのニュートリノフラックスの最初の高精度推定を提供し、FASERが電磁的性質を持つ軸標的粒子（ALPs）に対して示す感度を予測する。その結果、B崩壊におけるALP生成は、カップリングが1.1×10⁻³gₑₑのb→s a遷移によって支配的であることが示された。

ABSTRACT

Scenarios with new physics particles feebly interacting with the Standard Model sector provide compelling candidates for dark matter searches. Geared with a set of new experiments for the detection of neutrinos and long-lived particles the Large Hadron Collider (LHC) has joined the hunt for these elusive states. On the theoretical side, this emerging physics program requires reliable estimates of the associated particle fluxes, in particular those arising from heavy hadron decays. In this work, we provide state-of-the-art QCD predictions for heavy hadron production including radiative corrections at next-to-leading order and using parton distribution functions including small-$x$ resummation at next-to-leading logarithmic accuracy. We match our predictions to parton showers to provide a realistic description of hadronisation effects. We demonstrate the utility of our predictions by presenting the energy spectrum of neutrinos from charm hadron decays. Furthermore, we employ our predictions to estimate, for the first time, FASER's sensitivity to electrophilic ALPs, which are predominantly generated in beauty hadron decays.

研究の動機と目的

• LHCにおけるフォワード重いハドロン生成の信頼性の高い最新のQCD予測を提供すること。これには、放射修正および小xリスキーム化を含む。
• 将来のコライダー・ニュートリノ実験のため、charmおよびbeautyハドロン崩壊からのニュートリノフラックスをより高い精度でモデル化すること。
• Bハドロン崩壊において生成される電磁的性質を持つ軸標的粒子（ALPs）に対するFASERの感度を、初めて推定すること。
• NLO計算、パートンシャワー、およびLHCbで制約されたPDFを統合した一貫したフレームワークを用いることで、フォワード物理学における理論的不確実性を低減すること。

提案手法

• 重クォーク生成のため、次次-leading-order（NLO）QCD計算とパートンシャワーをマッチングするPowheg法を用いる。
• 質量のあるクォークを含む固定フレーバー体系で、hvqジェネレータを用い、Pythia 8.2でフラグメンテーションおよびハドロン化を処理する。
• NNPDF3.1sx+LHCb PDFを用い、αs = 0.118でNLO+NLLxの精度に達する。小xリスキーム化はBFKL力学を介して組み込む。
• 予測値をパートンシャワーにマッチングすることで、フォワード領域における非摂動的ハドロン化効果をモデル化する。
• 予測されたフラックスを崩壊体積確率と畳み込むことで、検出器のイベントレートを推定する。
• 有効ラグランジアンLasb = gasb b̄sLbR + h.c. を用いて、B崩壊におけるALP生成率を計算する。ここで、gasb ≈ 1.1×10⁻³gₑₑである。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるフォワードのcharmおよびbeautyハドロン崩壊から生成されるニュートリノの正確なエネルギースペクトルは何か？
• RQ2 小xリスキーム化および改善されたPDFは、フォワード重いハドロン生成予測にどのように影響するか？
• RQ3 200 fb⁻¹の統合放射能を持つRun 3期間中に、FASERにおけるコライダー・ニュートリノのイベントレートはどの程度か？
• RQ4 FASERは、B崩壊から生成される電磁的性質を持つ軸標的粒子（ALPs）に対してどの程度感度を持つのか？
• RQ5 異なるモデル化アプローチ（スペクテーター、排他的、スケーリング）は、ALPsのBR(B→Xsa)を予測する際にどのように比較されるか？

主な発見

• 200 fb⁻¹の統合放射能を持つRun 3期間中に、FASERνにおけるcharmハドロン崩壊からのニュートリノフラックスは、νₑで2.54+1.66⁄−0.80、νμで2.52+1.65⁄−0.82、ντで0.79+0.53⁄−0.25のチャージド・カレント相互作用となる。
• beautyハドロン崩壊からのニュートリノは、電子ニュートリノ相互作用に0.1%未満の寄与を示すが、タウニュートリノ相互作用には約3%の寄与を示す。
• B崩壊におけるALP生成カップリングは、トップクォークおよびWボソンを含むループ図から得られ、gasb = 1.1×10⁻³gₑₑと推定される。
• ALPエネルギースペクトルにおける不確実性比は、エネルギー依存性を示さないため、スペクトル全体にわたり安定であることが示された。
• スペクテーター・モデルでは、有限なXs質量に起因する位相空間効果により、低ALP質量領域で20%の抑制が予測される。これは、この不確実性を含める正当性を示している。
• スケーリングモデルは、スペクテーターおよび排他的モデルと比較して、包含的ブランチ比を過剰に推定している。これは、ALP生成率予測におけるモデル依存性の重要性を強調している。