[论文解读] High energy photon interactions at the LHC

J. De Favereau De Jeneret, V. Lemaı̂tre+7 more|ArXiv.org|Aug 14, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了大型强子对撞机（LHC）上高能光子-光子和光子-质子相互作用，作为标准质子-质子碰撞的补充探测手段，利用等效光子近似下的准实光子交换。结果表明，这些过程在电弱和新物理（BSM）研究中可产生高达数皮靶的截面，当结合前向质子探测和快度间隙识别时，背景可控，从而可在低至1 fb⁻¹的亮度下对希格斯玻色子、顶夸克、超对称（SUSY）粒子及异常耦合进行灵敏探测。

ABSTRACT

Experimental prospects for studying high-energy photon-photon and photon-proton interactions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) are discussed. Cross sections are calculated for many electroweak and beyond the Standard Model processes. Selection strategies based on photon interaction tagging techniques are studied. Assuming a typical LHC multipurpose detector, various signals and their irreducible backgrounds are presented after applying acceptance cuts. Prospects are discussed for the Higgs boson search, detection of supersymmetric particles and of anomalous quartic gauge couplings, as well as for the top quark physics.

研究动机与目标

• 评估在LHC上研究高能光子相互作用作为标准pp碰撞补充探测手段的可行性。
• 评估光子诱导过程在探测电弱及标准模型之外物理方面的潜力。
• 量化关键过程（如希格斯玻色子产生、顶夸克对产生及异常四体规范耦合）的截面与背景。
• 确定前向质子探测与快度间隙识别在抑制不可约QCD背景中的作用。
• 确定这些过程在低亮度与高亮度下的物理探测能力，尤其针对顶夸克与SUSY探测。

提出的方法

• 采用等效光子近似（EPA）模拟pp碰撞中准实光子交换，将过程分解为通用光子谱与过程相关的截面。
• 通过将部分子级截面与来自光子谱dN(x,Q²)推导出的相对亮度谱卷积，计算双光子过程与光致产生过程的截面。
• 基于探测器响应施加接受度截断，包括：喷注pT > 30 GeV，轻子pT > 10 GeV，b夸克标记，以及快度间隙条件（Emin_FCal < 30 GeV）。
• 实施排他性条件：在喷注锥（R = 0.7，1 < η < 2.5）外无额外pT > 0.5 GeV的粒子道，以抑制边缘散射与QCD背景。
• 利用蒙特卡洛模拟（MG/MadGraph与CalcHEP）计算电弱与新物理过程的Leading-Order截面。
• 评估前向质子探测与专用前向探测器（如FP420）对背景抑制与信号识别的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，光子-光子与光子-质子碰撞中关键电弱与BSM过程的截面是多少？
• RQ2 接受度截断与快度间隙识别如何影响光子诱导过程中的信号效率与背景抑制？
• RQ3 前向质子探测与排他性条件在多大程度上可减少光致产生与双光子过程中QCD与边缘散射背景？
• RQ4 在低亮度与高亮度下，这些过程对希格斯玻色子耦合、顶夸克性质及异常四体规范耦合的物理探测能力如何？
• RQ5 在前向探测器能力背景下，部分子-部分子相互作用产生的背景与不可约光子诱导背景相比如何？

主要发现

• 通过光子诱导过程产生的顶夸克对的总截面在13 TeV LHC能量下达到328,000 fb，经接受度截断后降至25,900 fb。
• 对于t̄t → lνbbjj拓扑结构，经接受度与快度间隙截断后截面为155.9 fb，进一步施加严格排他性条件后降至71.6 fb。
• 光致产生过程中的W+喷注产生截面在截断前为86.2 × 10⁶ fb，经接受度截断后降至27.7 × 10³ fb。
• 双光子亮度谱在低Wγγ处达到峰值，但延伸至超过1 TeV，使TeV量级的高能物理研究成为可能。
• 在低亮度下，部分子-部分子相互作用的背景可忽略不计，且可通过前向簇射器能量控制与排他性条件有效抑制。
• 在高亮度下，高效信号选择高度依赖于前向质子探测与先进排他性判据，FP420型探测器对背景抑制至关重要。