[论文解读] LHC Physics Potential vs. Energy

Chris Quigg|ArXiv.org|Aug 25, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文通过分析关键过程（胶子-胶子、夸克-反夸克及夸克-夸克相互作用）的部分子亮度，评估了在低于14 TeV的质子束能量下大型强子对撞机（LHC）的物理潜力，表明以低于设计能量运行会显著降低对高能标粒子的发现能力，尤其对高质​​量粒子影响更大，亮度比量化了早期LHC运行中能量与亮度之间的权衡。

ABSTRACT

Parton luminosities are convenient for estimating how the physics potential of Large Hadron Collider experiments depends on the energy of the proton beams. I present parton luminosities, ratios of parton luminosities, and contours of fixed parton luminosity for $gg$, $u\bar{d}$, and $qq$ interactions over the energy range relevant to the Large Hadron Collider, along with example analyses for specific processes.

研究动机与目标

• 评估在LHC低于14 TeV设计能量下运行对新物理发现潜力的影响。
• 量化质子-质子对撞在不同能量下相对于费米实验室对撞机质子-反质子对撞的相对物理发现能力。
• 提供一种基于部分子亮度的框架，用于在无需完整蒙特卡洛模拟的情况下估算不同束流能量下的信号与背景事例率。
• 确定LHC在何种能量下开始超越费米实验室对撞机对特定过程的发现能力。
• 通过估算关键物理通道在较低能量下运行的亮度代价，为早期LHC运行提供指导。

提出的方法

• 使用部分子亮度公式 $ \frac{\tau}{\hat{s}} \frac{d\mathcal{L}_{ij}}{d\tau} = \frac{\tau/\hat{s}}{1+\delta_{ij}} \int_{\tau}^{1} \frac{dx}{x} \left[ f_i^{(a)}(x) f_j^{(b)}(\tau/x) + f_j^{(a)}(x) f_i^{(b)}(\tau/x) \right] $ 来估算有效碰撞速率。
• 采用CTEQ6L1领先阶部分子分布函数，计算 $gg$、$u\bar{d}$ 和 $qq$ 相互作用在 $\sqrt{s} = 2$ 至 $14$ TeV 范围内的亮度。
• 比较LHC在 $\sqrt{s} = 7$、$10$ 和 $14$ TeV 与费米实验室对撞机在 $2$ TeV 时的亮度比，以评估相对发现能力。
• 生成固定部分子亮度的等高线图，以可视化在各 $\sqrt{s}$ 下可达到的有效 $\sqrt{\hat{s}}$，从而实现物理发现能力的快速比较。
• 利用亮度比估算为匹配费米实验室对撞机对 $W^\prime$ 和顶夸克对产生敏感度所需的有效积分亮度。
• 基于部分子亮度趋势，分析关键过程（$gg \to t\bar{t}$、$q\bar{q} \to W^+W^-$ 和 $qq \to$ 喷注）的缩放行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 以每束7 TeV而非14 TeV运行LHC时，通过胶子融合产生顶夸克对的产率如何变化？
• RQ2 LHC在何种能量下开始超越费米实验室对撞机对高质​​量共振态（如 $W^\prime$ 玻色子）的发现能力？
• RQ3 在不同束流能量下，$u\bar{d}$ 和 $qq$ 相互作用的部分子亮度如何变化？这对 $W/Z$ 玻色子和喷注产生有何启示？
• RQ4 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时，需要多大的亮度增强才能使 $t\bar{t}$ 产生率与 $\sqrt{s} = 14$ TeV 时相当？
• RQ5 随着束流能量变化，对价键夸克与胶子引发过程的相对灵敏度如何变化？这对早期物理计划有何影响？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时，$gg \to t\bar{t}$ 的产率相比 $\sqrt{s} = 14$ TeV 降低了约6倍，因此需要约6倍的积分亮度才能收集到相同的事例样本。
• 对于质量为 $M_{W^\prime} = 0.8$ TeV 的 $W^\prime$ 玻色子，$\sqrt{s} = 7$ TeV 时的产率约为 $\sqrt{s} = 14$ TeV 时的1/30，需约45 pb⁻¹ 的亮度才能匹配费米实验室对撞机的敏感度。
• 在 $\sqrt{s} = 10$ TeV 时，$gg \to t\bar{t}$ 的产率比14 TeV时小2.3倍，表明低于设计能量运行将带来显著代价。
• 对于 $M_H \gtrsim 140$ GeV 的 $W^+W^-$ 和 $ZZ$ 背景过程，$u\bar{d}$ 亮度比在 $\sqrt{s} = 7$、$10$ 和 $14$ TeV 时分别比费米实验室对撞机高出4.8、7.3和10.7倍。
• 在 $\sqrt{\hat{s}} \approx 1$ TeV 的高横动量喷注产生过程中，LHC在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时的 $qq \to$ 两喷注产率比费米实验室对撞机在 $\sqrt{s} = 2$ TeV 时高出约340倍。
• 在 $\sqrt{\hat{s}} = 4$ TeV 时，$\sqrt{s} = 7$ TeV 时的 $qq$ 亮度仅为 $\sqrt{s} = 14$ TeV 时的18%，表明在低于设计能量运行时，对高质​​量色荷态的发现能力急剧下降。