[论文解读] Photon-Photon interactions in proton-proton collisions at the LHC

M. Dyndał, L. Schoeffel|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本文提出了一套全面的框架，用于计算大型强子对撞机（LHC）质子-质子碰撞中具有排斥性的光子-光子相互作用，同时考虑了质子在低质量与高质量末态中的有限尺寸效应。该方法准确预测了W-夸克对和希格斯玻色子产生等过程的截面，与现有的LHC实验数据高度一致。

ABSTRACT

Photon-photon interactions represent an important class of physics processes at the LHC, where quasi-real photons are emitted by both colliding protons. These reactions can result in the exclusive production of a final state $X$, $p+p ightarrow p+p+X$. When computing such cross sections, it has already been shown that finite size effects of colliding protons are important to consider for a realistic estimate of the cross sections. These first results have been essential in understanding the physics case of heavy-ion collisions in the low invariant mass range, where heavy ions collide to form an exclusive final state like a $J/\Psi$ vector meson. In this paper, our purpose is to present some calculations that are valid also for the exclusive production of high masses final states in proton-proton collisions, like the production of a pair of $W$ bosons or the Higgs boson. Therefore, we propose a complete treatment of the finite size effects of incident protons irrespective of the mass range explored in the collision. Our expectations are shown to be in very good agreement with existing experimental data obtained at the LHC.

研究动机与目标

• 将有限质子尺寸效应的处理从低质量排斥过程扩展到质子-质子碰撞中的高质量末态。
• 为包括希格斯玻色子和W-玻色子对在内的重共振态的排斥性产生提供统一的理论框架。
• 通过考虑真实的质子结构和尺寸效应，改进排斥性光子-光子过程的截面估算。
• 将该模型与现有的LHC实验数据进行对比，以评估其预测能力。

提出的方法

• 通过形式因子方法来建模质子的电磁结构，将质子的有限尺寸效应纳入计算。
• 该框架将两个质子均视为准真实光子的来源，其有限尺寸影响光子波函数和相互作用截面。
• 该方法适用于末态X的排斥性过程p+p → p+p+X，无论X的不变质量如何。
• 通过一致处理质子的电荷半径和电磁形式因子，校正点状质子近似带来的偏差。
• 该方法被应用于通过γγ融合产生希格斯玻色子和W-玻色子对等高质量过程。
• 通过与LHC的实验数据对比，对模型的预测能力进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限质子尺寸效应如何影响在高不变质量下质子-质子碰撞中排斥性光子-光子产生截面？
• RQ2 在高质量排斥末态中，包含质子有限尺寸效应能在多大程度上提高与LHC数据的一致性？
• RQ3 是否可以构建一个统一的理论框架，准确描述pp碰撞中低质量和高质量的排斥性γγ过程？
• RQ4 对于通过双光子融合产生的希格斯玻色子和W-夸克对，有限尺寸修正有多重要？
• RQ5 与现有的LHC实验测量相比，该模型的预测能力如何？

主要发现

• 包含有限质子尺寸效应显著提高了全质量范围内排斥截面预测的准确性。
• 该模型与现有的LHC实验数据在排斥末态方面表现出极好的一致性。
• 有限尺寸修正不仅对低质量过程至关重要，对希格斯玻色子和W-玻色子对等高质量末态同样必不可少。
• 该框架通过单一一致的方法成功处理了低质量和高质量的排斥过程。
• 结果证实，即使在通过光子-光子融合产生的高质量排斥过程中，质子结构效应也不能被忽略。