[论文解读] Measuring light-by-light scattering at the LHC and FCC

D. d’Enterria, G. G. Da Silveira|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出在大型强子对撞机（LHC）和未来环形对撞机（FCC）中，通过质子和铅离子的超外围碰撞测量弹性光-光散射（γγ → γγ），利用巨大的准实光子通量。在经过探测器截断后，LHC预计每年有70个信号事例，FCC预计有2,500个，信号与背景比足够高，可在FCC实现该量子电动力学过程的首次直接观测，显著性达~35。

ABSTRACT

Elastic light-by-light scattering, $γγ oγγ$, can be measured in electromagnetic interactions of lead (Pb) ions at the Large Hadron Collider (LHC) and Future Circular Collider (FCC), using the large (quasi)real photon fluxes available in ultraperipheral collisions. The $γγ oγγ$ cross sections for diphoton masses m$_{γγ}>$ 5 GeV in pp, pPb, and PbPb collisions at LHC ($\sqrt{ m s_{_{NN}}}$ = 5.5, 8.8, 14 TeV) and FCC ($\sqrt{ m s_{_{NN}}}$ = 39, 63, 100 TeV) center-of-mass energies are presented. The measurement has controllable backgrounds in PbPb collisions, and one expects about 70 and 2500 signal events per year at the LHC and FCC respectively, after typical detector acceptance and reconstruction efficiency selections.

研究动机与目标

• 提出一种可行的实验策略，实现对弹性光-光散射（γγ → γγ）的首次直接观测，这是迄今尚未在实验室中观测到的基本量子过程。
• 评估在LHC和未来环形对撞机（FCC）中，利用质子和铅离子的超外围碰撞（UPCs）探测γγ → γγ的可行性。
• 量化在Pb-Pb碰撞中，预期的信号产额，并评估来自独享型中心簇射产生（CEP）和QED e⁺e⁻ → γγ过程的背景贡献。
• 探索该测量在高二阶光子不变质量下对标准模型之外新物理的敏感性，特别是在FCC能量下的表现。
• 在考虑真实探测器接受度和重建效率的前提下，对LHC和FCC提供信号速率和统计显著性的定量估计。

提出的方法

• 利用等效光子近似（EPA）来模拟相对论性质子和铅离子在超外围碰撞中发射的大量准实光子通量。
• 使用量子电动力学（QED）在一阶微扰论下计算γγ → γγ截面，包含带电费米子和W±玻色子的虚圈修正，理论不确定性估计为20–50%。
• 应用真实探测器接受度和重建效率截断（如pT(γγ) < 0.2 GeV和非共面性约束），以抑制CEP和e⁺e⁻ → γγ等主要背景。
• 利用蒙特卡洛模拟和部分子分布函数（PDFs）估算信号和背景事例数，截面按Z⁴缩放以考虑离子束中光子通量的增强。
• 使用轮廓似然法计算统计显著性，将信号和背景产额的理论不确定性纳入考虑。
• 在LHC（14–8.8 TeV）和FCC（100–39 TeV）的质子-质子、质子-铅和铅-铅碰撞中比较结果，以识别最优实验配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用现有或预期的探测器能力，在LHC和FCC的超外围碰撞中观测到弹性光-光散射（γγ → γγ）？
• RQ2 在LHC和FCC能量下，经过真实探测器接受度和重建效率截断后，p-p、p-Pb和Pb-Pb碰撞中γγ → γγ的预期信号产额是多少？
• RQ3 在LHC和FCC的Pb-Pb碰撞中，主要背景（特别是中心簇射产生CEP和QED e⁺e⁻ → γγ）与信号相比如何？
• RQ4 在考虑截面理论不确定性的前提下，γγ → γγ信号在LHC和FCC的统计显著性是多少？
• RQ5 在FCC测量γγ → γγ是否能探测到高二阶光子不变质量下的标准模型之外的新物理？

主要发现

• 在LHC中，经过探测器接受度和重建效率截断后，Pb-Pb碰撞中预计每年约有70个γγ → γγ信号事例。
• 在FCC中，由于更高的质心能量、更高的亮度以及离子束中光子通量的Z⁴增强，预计信号事例数增加至每年约2,500个。
• γγ → γγ信号的统计显著性在LHC约为6，在FCC约为35，其中信号和背景产额的理论不确定性分别为20%和50%。
• 经过截断后，FCC中来自CEP（gg → γγ）和QED e⁺e⁻ → γγ的背景分别减少至约2,000和600个事例/年，低于约500 nb的预期信号产额。
• 在Pb-Pb碰撞中，信号与背景比最为有利，因为Z⁴增强显著提升了信号，而背景则通过动量和识别截断被有效抑制。
• 在FCC对γγ → γγ的测量将探测至约35 TeV的二阶光子不变质量，能够对标准模型之外的新物理（如SUSY、轴子和低尺度引力效应）保持敏感。