[论文解读] New opportunities at the photon energy frontier

J. Adam, C. Aidala+73 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 81被引用 6

一句话总结

本Snowmass2021兴趣信提出在大型强子对撞机（LHC）上开展超外围碰撞（UPCs）作为高能光子物理的新前沿，利用相对论性重离子产生的近乎真实光子，探测低-x胶子分布、搜寻轴子样粒子（ALPs）并研究光-光散射。该论文强调了ATLAS和CMS已观测到的光-光散射现象，并概述了未来在光致产生矢量介子、喷胶、以及通过两光子融合产生希格斯玻色子方面的机遇。

ABSTRACT

Ultra-peripheral collisions (UPCs) involving heavy ions and protons are the energy frontier for photon-mediated interactions. UPC photons can be used for many purposes, including probing low-$x$ gluons via photoproduction of dijets and vector mesons, probes of beyond-standard-model processes, such as those enabled by light-by-light scattering, and studies of two-photon production of the Higgs.

研究动机与目标

• 在HERA关闭后，确立超外围碰撞（UPCs）作为高能光子物理的新能量前沿。
• 研究UPCs在通过矢量介子和喷胶的光致产生探测核子中低-𝑥胶子密度方面的潜力。
• 通过光-光散射和两光子过程，探索新标准模型物理，包括轴子样粒子（ALPs）和异常耦合。
• 评估在LHC的UPCs中通过两光子融合产生希格斯玻色子的可行性。
• 倡导未来对撞机（包括EIC和FCC-he）中光子介导过程的专门实验与理论研究。

提出的方法

• 利用相对论性重离子（Pb+Pb）在超外围碰撞中产生的近乎真实光子，其光子虚度较低（$Q^2 < (\hbar c/R_A)^2$）。
• 应用EPS09核子部分子分布函数（NPDFs），将矢量介子光致产生的核抑制因子投影为Bjorken-𝑥的函数。
• 分析光-光散射截面，基于ATLAS和CMS的现有数据推导出ALP-光子耦合（$1/\Lambda_a$）与ALP质量的排除限制。
• 对UPCs中通过两光子融合产生希格斯玻色子的过程进行建模，结合理论计算与现有的LHC数据。
• 将理论预测与ATLAS和CMS在光-光散射及单 exclusive $W^+W^-$ 产生方面的实验结果相结合，以约束新物理。
• 使用蒙特卡洛模拟与理论框架（如颜色玻璃凝聚态、二极子模型）预测UPCs中新物理的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC上的超外围碰撞能否为通过矢量介子光致产生探测核子中低-𝑥胶子密度提供可行平台？
• RQ2 基于LHC的光-光散射数据，轴子样粒子（ALPs）与光子耦合的当前排除限制是什么？
• RQ3 UPCs中的两光子融合在多大程度上可实现希格斯玻色子产生与异常四线性规范耦合的研究？
• RQ4 如何利用UPCs搜寻新标准模型以外的新物理，如异常电磁磁矩或奇异态？
• RQ5 未来设施（如电子-离子对撞机（EIC）和FCC-he）在推进光子能量前沿物理方面具有何种潜力？

主要发现

• Pb+Pb UPCs中矢量介子光致产生的投影核抑制因子对低-𝑥胶子分布表现出强烈敏感性，基于EPS09的预测显示可观察到与预期的显著偏离。
• 基于ATLAS和CMS的光-光散射数据，ALP-光子耦合（$1/\Lambda_a$）的排除限制可达约$10^{-3}$ GeV$^{-1}$，适用于ALP质量低于100 MeV的情况。
• 现有的LHC数据已证实ATLAS和CMS在Pb+Pb碰撞中观测到光-光散射，证明了在高能下此类测量的可行性。
• UPCs中两光子融合过程可产生具有可测量截面的希格斯玻色子，未来亮度升级后可实现，为希格斯研究提供清晰通道。
• 理论模型预测UPCs中胶子与光子的单 exclusive 二喷胶和矢量介子光致产生的截面显著，具有精确研究QCD动力学在低-𝑥区域的潜力。
• 本文指出，在LHC及未来对撞机中持续并扩展对光子介导过程的研究具有强有力的科学依据，尤其在探测核子胶子结构与新物理方面。