Двухфотонное рождение пары W-бозонов на ускорителях в лидирующем порядке теории возмущений и однопетлевом приближении

  • Андрей Юрьевич Манько Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Роман Георгиевич Шуляковский Институт прикладной физики НАН Беларуси, ул. Академическая, 16, 220072, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-46-54

Аннотация

Исследован процесс двухфотонного рождения пары W-бозонов в экспериментах на адронных и электрон-позитронных ускорителях в лидирующем порядке теории возмущений и однопетлевом приближении. Данный процесс можно использовать для прецизионного изучения параметров Стандартной модели (трех- и четырехбозонных констант взаимодействий), поиска эффектов «новой физики» (например, аномальных констант взаимодействий). Этот механизм рождения W-бозонов имеет малое количество фоновых процессов, поэтому его можно исследовать на ускорителях с высокой точностью. Программа LoopTools применялась для численных вычислений однопетлевых интегралов, программа Mathematica и пакеты FeynArts и FeynCalc – для получения диаграмм и амплитуд Фейнмана, нахождения квадрата модуля матричного элемента. Рассчитаны полные и дифференциальные сечения для адронных и электрон-позитронных ускорителей с использованием приближения эквивалентных фотонов (приближение Вайцзеккера – Вильямса). В этом приближении рассеянные под малыми углами частицы регистрируются в форвард-детекторах, а рожденные частицы – в основном детекторе. Расчет производился на МонтеКарло генераторе TwoPhotonGen, написанном на языке C++. Показано, что полные и дифференциальные сечения процесса растут с увеличением энергии сталкивающихся начальных частиц.

Биографии авторов

Андрей Юрьевич Манько, Институт физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, пр. Независимости, 68, 220072, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник Центра фундаментальных взаимодействий и астрофизики.

Роман Георгиевич Шуляковский, Институт прикладной физики НАН Беларуси, ул. Академическая, 16, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; ведущий научный сотрудник.

Литература

  1. Glashow SL. Partial-symmetries of weak interaction. Nuclear Physics. 1961;22(4):579–588. DOI: 10.1016/0029-5582(61)90469-2.
  2. Weinberg S. A model of leptons. Physical Review Letters. 1967;19(21):1264–1266. DOI: 10.1103/PhysRevLett.19.1264.
  3. Greiner W, Schramm S, Stein E. Quantum chromodynamics. 2nd editon. Berlin: Springer; 2002. 572 p.
  4. Yndurain FJ. Quantum chromodynamics: an introduction to the theory of quarks and gluons. New York: Springer-Verlag; 1983. XI, 228 p.
  5. Narison S. QCD as a theory of hadrons: from partons to confinement. Cambridge: Cambridge University Press; 2004. 813 p.
  6. Aitchison IJR. Supersymmetry and the MSSM: an elementary introduction. Notes of lectures for graduate students in particle physics. Oxford, 2004 and 2005 [Internet]. 2005 May 12 [cited 2014 May 12]. 156 p. Available from: https://arxiv.org/abs/hep-ph/0505105.
  7. Aaboud M, Aad G, Abbott B, Abdallah J, Abdinov O, Abeloos B, et al. [ATLAS collaboration]. Measurement of exclusive gg → W + W – production and search for exclusive Higgs boson production in pp collisions at s = 8 0. TeV using the ATLAS detector. Physical Review D. 2016;94(3):032011. DOI: 10.1103/PhysRevD.94.032011.
  8. Chatrchyan S, Khachatryan V, Sirunyan AM, Tumasyan A, Adam W, Bergauer T, et al. [The CMS collaboration]. Study of exclusive two-photon production W + W – in pp collisions at s = 7 0. TeV and constraints on anomalous quartic gauge couplings. Journal of High Energy Physics. 2013;7:116. DOI: 10.1007/JHEP07(2013)116.
  9. Budnev VM, Ginzburg IF, Meledin GV, Serbo VG. [Two-photon particle generation and approximation of equivalent photons]. Fizika elementarnykh chastits i atomnogo yadra. 1973;4(1):239–284. Russian.
  10. de Favereau de Jeneret J, Lemaître V, Liu Y, Ovyn S, Pierzchała T, Piotrzkowski K, et al. High energy photon interaction at the LHC [Internet]. 2009 August 14 [cited 2016 January 24]. 17 p. Available from: http://arxiv.org/abs/0908.2020v1.
  11. Baer H, Barklow T, Fujii K, Gao Y, Hoang A, Shinya Kanemura S, et al., editors. The International linear collider: technical design report. Volume 2. Physics. [S. l.]: [s. n.]; 2013. 189 p.
  12. Marfin IB, Shishkina TV. Electroweak radiative effects in the gg → W + W – process. Automatic loop calculations using FeynArts, FormCalc, and LoopTools. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2005;8(4):409–420.
  13. Marfin IB, Mossolov VA, Shishkina TV. The investigation of the gg → W + W – including electromagnetic corrections at the TESLA kinematics [Internet]. 2003 May 14 [cited 2016 June 12]. 18 p. Available from: https://arxiv.org/abs/hep-ph/0305153.
  14. Bélanger G, Boudjema F. Probing quartic couplings of weak bosons through three vector production at a 500 GeV NLC. Physics Letters B. 1992;288(1–2):201–209. DOI: 10.1016/0370-2693(92)91978-I.
  15. Pierzchała T, Piotrzkowski K. Sensitivity to anomalous quartic gauge couplings in photon-photon interactions at the LHC. Nuclear Physics B – Proceedings Supplements. 2008;179–180:257–264. DOI: 10.1016/j.nuclphysbps.2008.07.032.
  16. Chapon E, Royon C, Kepka O. Probing WWgg and ZZgg quartic anomalous couplings with 10 pb–1 at the LHC [Internet]. 2009 August 7 [cited 2015 May 12]. 4 p. Available from: https://arxiv.org/pdf/0908.1061.
  17. Chapon E, Royon C, Kepka O. Anomalous quartic WWgg , ZZgg , and trilinear WWg coupling in two-photon processes at high luminosity at the LHC. Physical Review D. 2010;81(7):074003. DOI: 10.1103/PhysRevD.81.074003.
  18. Teles PR, dʼEnterria D. Prospects for gg → H and gg → W + W – measurements at the FCC-ee [Internet]. 2015 October 28 [cited 2016 December 12]. Available from: https://arxiv.org/pdf/1510.08141.
  19. dʼEnterria D, Teles PR, Martins DE. Measurements of gg → Higgs and gg → W + W – in e+ e – collisions at the Fiture Circular Collider [Internet]. 2017 December 19 [cited 2018 May 2]. Available from: https://arxiv.org/pdf/1712.07023.
  20. Luszczak M, Szczurek A, Royon C. W + W – pair production in proton-proton collisions: small missing terms. Journal of High Energy Physics. 2015;2:98. DOI: 10.1007/JHEP02(2015)098.
  21. Marfin IB, Mossolov VA, Shishkina TV. Anomalous quartic boson couplings via gg → W + W – and gg → W + W – Z at the TESLA kinematics [Internet]. 2003 April 30 [cited 2016 June 20]. Available from: https://arxiv.org/abs/hep-ph/0304250.
  22. Sjöstrand T, Edén P, Friberg C, Lönnblad L, Miu G, Mrenna S, et al. High-energy-physics event generator with Pythia 6.1. Computer Physics Communications. 2001;135(2):238–259. DOI: 10.1016/S0010-4655(00)00236-8.
  23. Alwall J, Demin P, de Visscher S, Frederix R, Herquet M, Maltoni F, et al. MadGraph/MadEvent v4: the new web generation. Journal of High Energy Physics. 2007;9:28. DOI: 10.1088/1126-6708/2007/09/028.
  24. Marchesini G, Webber BR, Abbiendi G, Knowles IG, Seymour MH, Stanco L. HERWIG 5.1 – a Monte Carlo event generator for simulating hadron emission reactions with interfering gluons. Computer Physics Communications. 1992;67(3):465–508. DOI: 10.1016/0010-4655(92)90055-4.
  25. Pukhov A. Adaptation of Vegas for event integration. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2003;502(2–3):596–598. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)00514-X.
  26. Boonekamp M, Dechambre A, Juranek V, Kepka O, Rangel MS, Royon C, et al. FPMC: a generator for forward physics [Internet]. 2011 February 12 [cited 2016 December 21]. Available from: https://arxiv.org/pdf/1102.2531.
  27. Manko AU, Satsunkevich IS, Shulyakovsky RG. HEPComp Monte Carlo generator for two-photon production of lepton pairs at hadron collisions. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics series. 2014;1:108–112. Russian.
  28. Manko A, Satsunkevich I, Shulyakovsky R. Two-photon process at Tevatron and LHC. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2013;16(1):72–78.
  29. Manko AYu, Shulyakovsky RG. Two-photon production of leptons at hadron collidersin semielastic and inelastic cases. Yadernaya fizika. 2016;79(2):129–133. Russian.
  30. Manko A, Satsunkevich I, Shulyakovsky R. On possibility of supersymmetric leptons observation at ILC and CLIC. Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2014;17(2):188–193.
  31. v. Weizsäcker CF. Ausstrahlung bei Stößen sehr schneller Elektronen. Zeitschrift für Physik A Hadrons and nuclei. 1934; 88(9–10):612–625. DOI: 10.1007/BF01333110.
  32. Williams EJ. Nature of the high energy particles of penetrating radiation and status of ionization and radiation formulae. Physical Review. 1934;45(10):729–730. DOI: 10.1103/PhysRev.45.729.
  33. Hahn T. Generating Feynman diagrams and amplitudes with FeynArts 3. Computer Physics Communications. 2001;140(3): 418–431. DOI: 10.1016/S0010-4655(01)00290-9.
  34. Shtabovenko V, Mertig R, Orellana F. New developments in FeynCalc 9.0. Computer Physics Communications. 2016;207: 432–444. DOI: 10.1016/j.cpc.2016.06.008.
  35. Cheng T-P, Li L-F. Gauge theory of elementary particle physics. Oxford: Clarendon Press; 1984. XI, 536 p. Russian edition: Cheng T-P, Li L-F. Kalibrovochnye teorii v fizike elementarnykh chastits. Moscow: Mir; 1987. 624 p.
  36. Budnev VM, Ginzburg IF, Meledin GV, Serbo VG. The two-photon particle production mechanism. Physical problems. Applications. Equivalent photon approximation. Physics Reports. 1975;15(4):181–282. DOI: 10.1016/0370-1573(75)90009-5.
  37. Byckling E, Kajantie K. Particle kinematics. London: John Wiley and Sons; 1973. 319 p. Russian edition: Byckling E, Kajantie K. Kinematika elementarnykh chastits. Kopylov GI, editor. Moscow: Mir; 1975. 343 p.
  38. Weinzierl S. Introduction to Monte Carlo methods [Internet]. 2000 June 23 [cited 2010 September 12]. 47 p. Available from: https://arxiv.org/abs/hep-ph/0006269.
  39. Hahn T, Pérez-Victoria M. Automatized one-loop calculations in four and D dimensions. Computer Physics Communications. 1999;118(2–3):153–165. DOI: 10.1016/S0010-4655(98)00173-8.
Опубликован
2020-10-07
Ключевые слова: двухфотонный механизм рождения, приближение эквивалентных фотонов, лидирующий порядок теории возмущений, однопетлевое приближение, однопетлевые интегралы, W-бозон
Как цитировать
Манько, А. Ю., & Шуляковский, Р. Г. (2020). Двухфотонное рождение пары W-бозонов на ускорителях в лидирующем порядке теории возмущений и однопетлевом приближении. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 46-54. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-3-46-54
Выпуск
№ 3 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика электромагнитных явлений

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).