[论文解读] Predictions for Neutrinos and New Physics from Forward Heavy Hadron Production at the LHC

Luca Buonocore, Felix Kling+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

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

一句话总结

本文為大型強子對撞機（LHC）上前向重介子產生提供了次領先階QCD預測，並與部分子噴射匹配，包含小-x重 summation 和強子化效應。該研究首次精確估計了粲與底介子衰變產生的中微子通量，並應用於預測FASER對電磁性軸子樣子粒子（ALPs）的敏感度，結果顯示B衰變中ALP產生主要由b→s a躍遷主導，耦合常數為1.1×10⁻³gₑₑ。

ABSTRACT

Scenarios with new physics particles feebly interacting with the Standard Model sector provide compelling candidates for dark matter searches. Geared with a set of new experiments for the detection of neutrinos and long-lived particles the Large Hadron Collider (LHC) has joined the hunt for these elusive states. On the theoretical side, this emerging physics program requires reliable estimates of the associated particle fluxes, in particular those arising from heavy hadron decays. In this work, we provide state-of-the-art QCD predictions for heavy hadron production including radiative corrections at next-to-leading order and using parton distribution functions including small-$x$ resummation at next-to-leading logarithmic accuracy. We match our predictions to parton showers to provide a realistic description of hadronisation effects. We demonstrate the utility of our predictions by presenting the energy spectrum of neutrinos from charm hadron decays. Furthermore, we employ our predictions to estimate, for the first time, FASER's sensitivity to electrophilic ALPs, which are predominantly generated in beauty hadron decays.

研究动机与目标

• 為大型強子對撞機（LHC）上的前向重介子產生提供可靠且先進的QCD預測，包含輻射修正與小-x重 summation。
• 以更高精度建模來自粲與底介子衰變的中微子通量，以支援未來對撞機中微子實驗。
• 首次估算FASER對來自底介子衰變中產生的電磁性軸子樣子粒子（ALPs）的敏感度。
• 透過整合NLO計算、部分子噴射與LHCb約束的PDF，降低前向物理中的理論不確定性。

提出的方法

• 使用Powheg方法將次領先階（NLO）QCD計算與部分子噴射匹配，以模擬重夸克產生。
• 採用hvq生成器在固定味方案中，包含質量夸克，並使用Pythia 8.2模擬強子化與碎片化。
• 整合NNPDF3.1sx+LHCb PDF，αs = 0.118，精度達NLO+NLLx，透過BFKL動力學實現小-x重 summation。
• 將預測與部分子噴射匹配，以模擬前向區域中非微擾強子化效應。
• 將預測通量與衰變體積機率進行卷積，以估算探測器事蹟率。
• 將此框架應用於計算B衰變中ALP產生率，使用有效拉格朗日量Lasb = gasb b̄sLbR + h.c.，其中gasb ≈ 1.1×10⁻³gₑₑ。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，前向粲與底介子衰變產生的中微子能量譜為何？
• RQ2 小-x重 summation 與改進的PDF如何影響前向重介子產生的預測？
• RQ3 在整合亮度為200 fb⁻¹的Run 3期間，FASER中對撞機中微子的預期事蹟率為何？
• RQ4 FASER對來自B衰變中產生的電磁性軸子樣子粒子（ALPs）的敏感度為何？
• RQ5 不同建模方法（伴隨子、獨特、重新調整）在預測BR(B→Xsa)方面有何差異？

主要发现

• 在Run 3期間，整合亮度為200 fb⁻¹，FASERν中來自粲介子衰變的預測中微子通量為：νₑ為2.54+1.66⁄−0.80，νμ為2.52+1.65⁄−0.82，ντ為0.79+0.53⁄−0.25，單位為帶電流相互作用。
• 來自底介子衰變的中微子對電子中微子相互作用貢獻小於0.1%，但對τ中微子相互作用貢獻約3%。
• B衰變中ALP產生的耦合常數估計為gasb = 1.1×10⁻³gₑₑ，由頂夸克與W玻色子參與的圈圖推導而得。
• ALP能量譜中的不確定性比率顯示無明顯能量依賴性，表明其在整個譜上具有穩定性。
• 伴隨子模型因有限Xs質量導致相空間效應，在低ALP質量處預測有20%的抑制，支持納入此不確定性。
• 重新調整模型高估了總分支比，與伴隨子與獨特模型相比，突顯ALP產生率預測中的模型依賴性。