[论文解读] Anomalous trilinear and quartic $WW\gamma$, $WW\gamma\gamma$, $ZZ\gamma$ and $ZZ\gamma\gamma$ couplings in photon induced processes at the LHC

C. R. Royon, É. Chapon+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文利用光子诱导过程，在LHC上研究了异常的三线和四线WWγ、WWγγ、ZZγ和ZZγγ耦合。它提出利用10–100 pb⁻¹的初始数据，将四线耦合的探测灵敏度相比LEP提升近三个数量级，并预测在220/420 m处使用前向质子探测器可使高亮度下的灵敏度再提升两个数量级。

ABSTRACT

We first report on possible measurements at the LHC using the first data and a luminosity of 10 pb$^{-1}$ of $W$ and $Z$ pair production via two-photon exchange. This measurement allows in particular to increase the present sensitivity on $WW\gamma \gamma$ and $ZZ\gamma \gamma$ quartic anomalous couplings from the LEP experiments by almost three orders of magnitude. We also discuss the possible improvements on quartic and trilinear anomalous couplings at high luminosity at the LHC using new forward proton taggers to be installed at 220 and 420 m from the CMS or ATLAS detectors.

研究动机与目标

• 评估LHC在10–100 pb⁻¹亮度下对异常四线WWγγ和ZZγγ耦合的探测灵敏度。
• 评估在距对撞点220和420 m处使用前向质子探测器，对异常四线和三线耦合探测灵敏度的潜在提升。
• 检验通过唯一末态探测W和Z玻色子对产生中偏离标准模型的可行性。
• 量化相比现有LEP极限的灵敏度提升，特别是对预测大异常耦合的模型（如无希格斯模型）的探测能力。
• 优化事件选择与背景抑制，以在二轻子末态中实现清晰的信号识别。

提出的方法

• 使用FPMC蒙特卡罗生成器模拟包含异常耦合的光子诱导过程pp → pWWp和pp → pZZp，通过维度6算符实现。
• 在有效拉格朗日量中引入最低维度的异常耦合，用于γγWW和γγZZ顶点，QED过程的生存概率为0.9。
• 应用严格的唯一性切割：两个高pT轻子（e/μ），无其他重建对象或能量流，且缺失横向能量>20 GeV。
• 对领先轻子施加pT > 160 GeV以抑制QED背景，并使用时间探测器标记散射质子以排除堆叠效应。
• 通过ξ > 0.05切割优化λγ的接受度，并利用完整的前向探测器接受度以最大化∆κγ的S/√B。
• 采用5σ发现轮廓和耦合参数的95%置信水平（C.L.）极限进行统计分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC能否仅使用10–100 pb⁻¹的数据，相比LEP显著提升对异常四线WWγγ和ZZγγ耦合的探测灵敏度？
• RQ2 在220和420 m处的前向质子探测器如何提升高亮度下对异常耦合的探测灵敏度？
• RQ3 LHC在多大程度上能够超越当前强子对撞机和LEP极限，探测三线WWγ和ZZγ耦合？
• RQ4 在√s = 10 TeV下，通过双光子融合实现唯一W和Z玻色子对产生的信号与背景比预期如何？
• RQ5 异常耦合如何影响Wγγ末态中γγ不变质量分布？

主要发现

• 使用10 pb⁻¹数据，LHC对aW₀/Λ²的95% C.L.灵敏度达到约2.2 × 10⁻⁴ GeV⁻²，相比LEP的OPAL极限提升近三个数量级。
• 在100 pb⁻¹时，aW₀/Λ²的灵敏度进一步提升至约1.0 × 10⁻⁴ GeV⁻²，显示出早期数据的强大探测能力。
• 对于三线耦合，LHC在30 fb⁻¹下对∆κγ的5σ发现能力为0.043，对λγ为0.034，相比直接强子对撞机极限分别提升12倍和4倍。
• 在200 fb⁻¹时，对∆κγ和λγ的灵敏度相比当前强子对撞机极限提升约30倍，相比LEP间接极限提升5倍。
• 该模型预测在200 fb⁻¹下，Wγγ > 1 TeV的事件数约为400个，可在高质质量γγ区域实现高统计精度的SM与BSM物理测试。
• 经过唯一性和运动学切割后，来自非弹性、QED和双 Pomeron交换过程的背景被抑制至可忽略水平。