[论文解读] Forward physics with tagged protons at the LHC: QCD and anomalous couplings

C. Royon|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出在LHC实验中利用标记质子探测双 Pomeron 交换过程中的二胶球和 γ+jet 产生，以研究 Pomeron 的胶子与夸克结构，实现对QCD演化和Pomeron普遍性的敏感探测。同时，还探索了对异常W/Z/γ耦合及通过中心唯一过程的Higgs玻色子产生的搜索，关键结果表明，利用二胶球质量分数可观测量可对高动量分数下的胶子密度实现高敏感度探测，且先进探测器具备10 ps时间分辨率的潜力。

ABSTRACT

We present some physics topics that can be studied at the LHC using proton tagging. We distinguish the QCD (Pomeron structure, BFKL analysis...) from the exploratory physics topics (HIggs boson, anomalous couplings between photons and $W/Z$ bosons

研究动机与目标

• 通过测量LHC中Pomeron的胶子与夸克成分，检验ep与pp碰撞中Pomeron结构的普遍性。
• 利用双Pomeron交换事件中的二胶球与γ+jet产生，约束Pomeron的QCD演化。
• 通过中心唯一产生过程，探索Higgs玻色子产生及光子与W/Z玻色子之间异常耦合等稀有过程。
• 开发并验证具备高精度时间与空间分辨率的质子标记探测器，以实现背景抑制与唯一事例识别。
• 实现对高β下Pomeron胶子密度的高灵敏度测量，方法为利用二胶球质量分数分布。

提出的方法

• 使用前向物理蒙特卡洛（FPMC）生成器模拟包括单 diffractive、双Pomeron交换和双光子交换在内的衍射过程。
• 利用在210 m（ATLAS）和220 m（CMS）处探测到的标记质子，识别唯一事例并测量衍射质量。
• 分析作为喷注横动量（pT）和二胶球质量分数函数的二胶球截面，以探测Pomeron中的胶子密度。
• 使用二胶球质量分数（定义为√(β₁β₂)）以增强对高β值下胶子分布的敏感度。
• 采用基于石英切伦科夫探测器与微通道板光电倍增管（MCP-PMT）耦合的快速时间系统，实现10 ps时间分辨率。
• 开发SAMPIC读出芯片，通过波形采样实现1 GHz带宽下子10 ps时间分辨率，且每通道成本较低。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过双Pomeron交换中的二胶球产生，在LHC中确认HERA测量的Pomeron胶子密度？
• RQ2 在高β值下，二胶球质量分数分布对Pomeron胶子密度变化的敏感度如何？
• RQ3 在210–220 m处的质子标记能在多大程度上提升对唯一Higgs玻色子产生与异常耦合的测量精度？
• RQ4 基于石英切伦科夫探测器与先进读出电子学的质子标记，可实现的时间分辨率是多少？
• RQ5 SAMPIC芯片能否在高计数率能力与低每通道成本下实现子10 ps时间分辨率？

主要发现

• LHC中的二胶球截面对Pomeron中的胶子密度高度敏感，当胶子密度在ν = −1 到 1 范围内按(1−β)^ν变化时，可观察到显著差异。
• 在高质量分数（>0.6–0.7）区域，不同ν值对应的二胶球质量分数分布曲线明显分离，表明对高β下胶子密度具有强敏感度。
• 唯一二胶球事例在高二胶球质量分数区域贡献显著，增强了对Pomeron胶子结构的可观测性。
• 基于QUARTIC棒的时间系统实现约34 ps/棒的时间分辨率，通过并行使用八根棒可将分辨率提升至约10 ps。
• SAMPIC芯片设计用于实现子10 ps时间分辨率、1 GHz输入带宽，且每通道成本约10美元，适用于高计数率应用。
• 质子标记与快速时间技术的结合可将堆叠背景事件的拒绝因子提高约40倍，通过约束事件顶点实现。