[论文解读] On the Correlation of Subevents in the ATLAS and CMS/Totem Experiments

S. N. White|ArXiv.org|Jul 10, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出一种方法，将ATLAS和CMS的中央探测器数据与大型强子对撞机（LHC）上独立的前向质子探测器（FP420）所探测到的次事件相关联，从而实现对中央系统质量及量子数的唯一测量。结果表明，在标准LHC光学条件下，从对撞点420米处探测到的散射质子可实现约2 GeV的质量分辨率，并仅选择0++态，从而可直接识别中心簇射产生中的希格斯玻色子。

ABSTRACT

We analyze the problem of correlating pp interaction data from the central detectors with a subevent measured in an independent system of leading proton detectors using FP420 as an example. FP420 is an R&D project conducted by a collaboration formed by members of ATLAS and CMS to investigate the possibility of detecting new physics in the central exclusive channel, PP -> P + X + P,where the central system X may be a single particle, for example a Standard Model Higgs boson. With standard LHC optics, the protons emerge from the beam at a distance of 420m from the Interaction Point, for M_X ~ 120 GeV. The mass of the central system can be measured from the outgoing protons alone, with a resolution of order 2 GeV irrespective of the decay products of the central system. In addition, to a very good approximation, only central systems with 0^++ quantum numbers can be produced, meaning that observation of a SM or MSSM Higgs Boson in this channel would lead to a direct determination of the quantum numbers.

研究动机与目标

• 开发一种将ATLAS和CMS中央探测器数据与独立前向质子探测器测量到的次事件相关联的方法。
• 实现在pp → P + X + P中心簇射道中探测新物理，特别是希格斯玻色子。
• 证明仅通过出射质子即可高分辨率测量中央系统X的质量。
• 表明在此道中仅能产生0++量子数态，从而可直接确定自旋和宇称。
• 支持使用FP420作为高精度测量中心簇射希格斯产生工具的可行性。

提出的方法

• 使用ATLAS和CMS合作团队的R&D项目FP420，探测距离对撞点420米处的散射质子。
• 应用标准LHC光学，预测质量约为120 GeV的中央系统所对应的质子轨迹和散射角度。
• 采用运动学重建方法，从出射质子的四momenta测量中央系统X的质量。
• 依赖于量子数选择规则，即中心簇射产生中仅产生0++态。
• 使用Mathematica 6.0模拟并可视化中央探测器事件与前向质子次事件之间的关联。
• 分析质量测量的分辨率，表明其与X的衰变产物无关，且保持在约2 GeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过出射质子在pp → P + X + P过程中高分辨率测量中央系统X的质量？
• RQ2 中心簇射产生机制在多大程度上限制了所产生系统的量子数？
• RQ3 ATLAS和CMS中央探测器与前向质子探测器（如FP420）探测到的次事件之间的相关性如何？
• RQ4 在FP420装置下，中心簇射道中X的可实现质量分辨率是多少？
• RQ5 在此道中观测到0++态是否能为标准模型或MSSM希格斯玻色子提供直接证据？

主要发现

• 仅通过相互作用中出射质子即可实现约2 GeV的质量分辨率来测量中央系统X的质量。
• 通过pp → P + X + P实现的中心簇射产生机制仅选择0++量子数态，从而可直接确定自旋和宇称。
• 对于质量约为120 GeV的中央系统，质子在标准LHC光学条件下从距离对撞点420米处射出。
• 质量分辨率与中央系统的衰变产物无关，因此在探测衰变为各种末态的希格斯玻色子时具有鲁棒性。
• 该方法可通过量子数选择与高分辨率质量重建，直接识别中心簇射道中的希格斯玻色子。
• 该分析使用Mathematica 6.0实现，包含详细的图形与动画，以说明中央事件与次事件之间的关联。