[论文解读] Probing double parton scattering with leptonic final states at the LHC

Jonathan R. Gaunt, C. H. Kom+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 6

一句话总结

本文利用纯粹轻子末态研究大型强子对撞机（LHC）上的双部分子散射（DPS），重点关注同号 $W^\pm W^\pm$ 对、双Drell–Yan过程以及 $J/\psi$ 对。研究提出利用轻子对之间的快度差来区分DPS与单部分子散射（SPS）背景，表明DPS贡献可被高显著性地分离，尤其在 $J/\psi$ 对产生过程中，其截面较大且动量变量对辐射效应具有鲁棒性。

ABSTRACT

We discuss the prospects of observing double parton scattering (DPS) processes with purely leptonic final states at the LHC. We first study same-sign W pair production, which is particularly suited for studying momentum and valence number conservation effects, followed by discussions on double Drell-Yan and production of J/psi pairs. The effects of initial state and intrinsic transverse momentum smearing on pair-wise transverse momentum balance characteristic to DPS are studied quantitatively. We also present a new technique, based on rapidity differences, to extract the DPS component from a double J/psi sample recently studied at the LHCb.

研究动机与目标

• 研究在LHC上通过纯粹轻子末态观测双部分子散射（DPS）的可行性，此类末态相比强子末态具有更清晰的信号和更精确的测量优势。
• 探讨动量与价夸克数守恒约束在DPS过程中的表现，特别是同号 $W^\pm W^\pm$ 产生过程中的体现。
• 开发并测试一种基于两对轻子之间快度差的新方法，以在 $J/\psi$ 对产生中分离DPS与单部分子散射（SPS）贡献。
• 评估现有LHCb实验关于双 $J/\psi$ 产生数据是否已显示出DPS存在的显著迹象，鉴于其截面较大且基于快度的可观测量具有动量稳定性。

提出的方法

• 研究采用双部分子散射截面公式 $\sigma^{DPS}_{(A,B)} = \frac{m}{2} \frac{\sigma_A \sigma_B}{\sigma_{\text{eff}}}$，其中 $\sigma_{\text{eff}} = 14.5$ mb 由CDF实验确定，用于建模DPS贡献。
• 采用因子化双部分子分布（dPDF）形式 $\Gamma_{ij}(x_1,x_2,b) = D_i(x_1)D_j(x_2)F(b)$ 描述质子中部分子的相关性。
• 提出将两对 $\mu^+\mu^-$ 之间的快度差 $|\Delta y|$ 作为鲁棒的运动学变量，用于区分DPS与SPS，因其对初态辐射和内在横动量展宽不敏感。
• 在 $J/\psi$ 对产生中，通过要求其不变质量接近 $J/\psi$ 质量来确定μ子的正确配对，从而减少事件重建中的歧义。
• 分析中包含部分子辐射和内在横动量（$p_T$）展宽效应，以模拟真实探测器级动量构型，并评估其对关键可观测量（如平衡变量 $S$）的影响。
• 通过蒙特卡罗模拟验证该方法，比较 $W^\pm W^\pm$、Drell–Yan及 $J/\psi$ 末态中DPS与SPS在 $S$ 和 $|\Delta y|$ 上的分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 同号 $W^\pm W^\pm$ 产生能否作为动量与价夸克数守恒在双部分子散射中表现的清晰探针？
• RQ2 初态辐射与内在横动量如何影响DPS过程中横向动量平衡？这些效应是否可在运动学可观测量中得到缓解？
• RQ3 在双 $J/\psi$ 产生中，两对 $\mu^+\mu^-$ 之间的快度差是否可作为DPS与SPS贡献的可靠区分器？
• RQ4 近期LHCb关于双 $J/\psi$ 产生的数据是否已显示出显著的DPS成分？在当前截断与可观测量下能否将其分离？

主要发现

• 预测带电轻子伪快度不对称性 $a_{\eta_l}$ 为正值，并随最小伪快度截断 $\eta^{\text{min}}_l$ 增大而增加，为同号 $W^\pm W^\pm$ 产生中动量与价夸克数守恒提供了敏感信号。
• 成对平衡变量 $S$ 对初态辐射和内在 $p_T$ 展宽极为敏感，因此在真实条件下作为DPS识别手段可靠性较低。
• 两对 $\mu^+\mu^-$ 之间的快度差 $|\Delta y|$ 在辐射和 $p_T$ 展宽效应下保持稳定，其分布显示在大 $|\Delta y|$ 区域DPS事件有明显增强。
• 在14 TeV下双 $J/\psi$ 产生中，DPS截面为7.69 pb，SPS截面为2.62 pb，当施加最小 $|\Delta y|$ 截断时，DPS占比显著提高。
• $m_{J/\psi J/\psi}$ 不变量质量分布中，DPS的峰值位置高于SPS，使得可通过联合拟合数据提取DPS成分。
• 随着LHC数据积累，通过最小 $|\Delta y|$ 截断可分离出高纯度的DPS样本，使其成为确认双 $J/\psi$ 事例中DPS存在的强大工具。