[论文解读] Semi-elastic cross section for a scalar resonance of mass 750 GeV

İ. Şahin|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 18

一句话总结

本文研究了在质子-质子碰撞中通过光子诱导过程产生750 GeV标量共振态的半弹性过程，重点分析 $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$，采用等效光子近似和有效拉格朗日量形式。计算了 $\phi\gamma\gamma$ 和 $\phi\gamma Z$ 耦合的截面，表明前向探测器可有效隔离这些过程，且半弹性通道对耦合参数具有竞争力的敏感度，尤其在高亮度LHC运行条件下。

ABSTRACT

We assume that the recently reported excess over Standard Model expectations in the diphoton production is originated from a new scalar boson phi which interacts with photons through the coupling proportional to phi F^2. We obtain the cross section for semi-elastic production process pp-> p gamma p-> p phi q X by considering phi-photon-photon and phi-photon-Z couplings and discuss the constraints on the coupling parameters. We investigate the potential of the semi-elastic production process to probe phi-photon-photon and phi-photon-Z.

研究动机与目标

• 评估在质子-质子碰撞中通过光子融合产生750 GeV标量共振态 $\phi$ 的半弹性产生截面。
• 利用有效场论评估半弹性过程对 $\phi\gamma\gamma$ 和 $\phi\gamma Z$ 耦合的敏感度。
• 确定前向探测器在隔离与测量半弹性 $\phi$ 产生方面的潜力。
• 比较在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下，全积分与前向探测器接受度条件下的截面。

提出的方法

• 使用有效拉格朗日量 $\mathcal{L} = c_{\gamma\gamma}\phi F^{\mu\nu}F_{\mu\nu} + c_{\gamma z}\phi F^{\mu\nu}Z_{\mu\nu}$ 建模 $\phi\gamma\gamma$ 和 $\phi\gamma Z$ 耦合。
• 应用等效光子近似模拟质子的光子发射，其中 $dN_\gamma/dx_1$ 由质子电磁形式因子导出。
• 通过积分部分子分布函数 $dN_q/dx_2$（来自MSTW2008）计算子过程截面 $\hat{\sigma}_{\gamma q \to \phi q}$。
• 同时考虑 $x_1 \in (0, 1 - m_p/E)$ 的全积分与受限接受度 $\xi \in (0.015, 0.15)$ 以模拟前向探测器覆盖范围。
• 通过求和所有夸克种类（$u,d,s,c,b$ 及其反粒子）计算总截面。
• 在不同亮度和质心系能量下，于95%置信水平评估 $c_{\gamma\gamma}$–$c_{\gamma z}$ 参数空间中的敏感度限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 条件下，通过 $pp \to p\gamma p \to p\phi qX$ 产生750 GeV标量共振态的半弹性截面大小如何？
• RQ2 $\phi\gamma\gamma$ 和 $\phi\gamma Z$ 耦合如何影响半弹性产生率？
• RQ3 前向探测器在增强半弹性 $\phi$ 产生隔离与测量方面的能力有多高？
• RQ4 在高亮度LHC条件下，半弹性过程对 $c_{\gamma\gamma}$ 和 $c_{\gamma z}$ 的敏感度极限是什么？
• RQ5 截面如何依赖于质心系能量与探测器接受度？

主要发现

• 在包含 $\phi \to \gamma\gamma$ 分支比的全 $x_1$ 积分条件下，$pp \to p\gamma p \to p\phi qX$ 的总半弹性截面估计低于5 fb。
• 截面随 $c_{\gamma\gamma}$ 和 $c_{\gamma z}$ 增大而增加，其中 $c_{\gamma\gamma}$ 因主导的 $\gamma q \to \phi q$ 子过程而表现出更强的依赖性。
• 在前向探测器接受度 $0.015 < \xi < 0.15$ 条件下，截面显著高于全积分结果，这是由于非弹性过程背景被有效抑制。
• 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 且 $\mathcal{L} = 3000$ fb$^{-1}$ 条件下，半弹性通道可在95%置信水平下探测到 $c_{\gamma\gamma} \sim 10^{-3}$ GeV$^{-1}$ 和 $c_{\gamma z} \sim 10^{-3}$ GeV$^{-1}$。
• $\phi\gamma Z$ 耦合对截面有显著贡献，尤其在较高 $c_{\gamma z}$ 时，且在足够亮度下可被测量。
• 本研究证明，半弹性过程为探测 $\phi$ 对光子与 $Z$ 玻色子的耦合提供了一条可行且互补于弹性二光子产生的通道。