Estudo do acoplamento quártico anômalo na produção γγ → W+W− com prótons intactos no CERN-LHC

Abstract

Este trabalho foi um estudo a respeito da busca por sinais de nova física no LHC. Em particular, a análise explorou a sensibilidade para acoplamentos quárticos anômalos na produção elástica e semielástica de γγ → W+W− em colisões próton-próton no LHC, usando o canal totalmente leptônico. Um fator de forma do tipo dipolo com Λcutoff = 500 GeV foi adotado para preservar a unitariedade. Limites para os valores de acoplamentos anômalos foram obtidos tomando como base a seção de choque prevista pelo Modelo Padrão para este processo, calculados com nível de confiança de 95% para diferentes valores de energia de centro de massa e de luminosidade integrada. O objetivo era averiguar a viabilidade de observar este processo no CMS, considerando que ele possui uma seção de choque muito baixa, ou seja, o número de eventos que se espera observar nas condições de luminosidade típicas do LHC é muito baixo. Por outro lado, processos de background possuem seções de choque muito mais elevadas, o que é um fator que dificulta a observação de sinais de nova física. Neste contexto, diversos procedimentos podem ser adotados para suprimir o background e proporcionar melhores condições de investigar os sinais de física além do Modelo Padrão. Primeiramente, se além dos eventos elásticos do processo γγ → W+W− forem considerados também os eventos semielásticos, a seção de choque total aumenta por um fator de cerca de 3,5 com relação ao processo elástico apenas. Esta é uma consideração que ainda não foi utilizada na literatura, e propicia uma importante vantagem na busca por este sinal. Além disso, com aplicação de cortes cinemáticos, implementação de proton tagging utilizando o aparato do PPS e requerimentos de tempo de voo para identificação de vértices, torna-se possível equiparar as ordens de grandezas para o número de eventos de sinal e de fundo, com algumas dezenas para cada, considerando uma luminosidade integrada L = 140 fb−1 . Isto significa que o estudo da produção exclusiva e semiexclusiva de γγ → W+W−, utilizando o sistema de detectores do PPS, se configura como um excelente canal para a busca de sinais de nova física, neste caso caracterizados como acoplamentos quárticos anômalos.

This is a study regarding the search for new physics signals in the LHC. In particular, this analysis explored the sensitivity to anomalous quartic gauge couplings in the elastic and semielastic production of γγ → W+W− in proton-proton collisions in the LHC, using the purely leptonic channel. A dipole-like form factor with Λcutoff = 500 GeV was adopted in order to preserve unitarity. Limits for anomalous coupling values were obtained based on the cross section predicted by the Standard Model for this process, calculated with a 95% confidence level for different values of center-of-mass energy and integrated luminosity. The objective was to investigate the feasibility of observing this process in the CMS, considering that it has a very small cross-section, that is, the number of events expected to be observed under typical LHC luminosity conditions is very low. On the other hand, background processes have much higher cross-sections, which is a factor that makes it difficult to observe signs of new physics. In this context, several procedures can be adopted to suppress the background and provide better conditions to investigate the signs of physics beyond the Standard Model. First, if in addition to the elastic events of the process γγ → W+W− its semielastic events are also considered, the total cross section increases by a factor of about 3.5 with respect to the elastic process only. This is a consideration that has not yet been used in the literature, and provides an important edge in the search for this signal. Furthermore, with the application of kinematic cuts, the implementation of proton tagging using the PPS apparatus and time-of-flight requirements for vertex identification, it becomes possible to equate the orders of magnitude for the number of signal and background events, with a few dozen each, considering an integrated luminosity of L = 140 fb−1 . This means that the study of the exclusive and semi-exclusive production of γγ → W+W−, using the PPS detector system, is an excellent channel for the search of evidences of new physics signals, in this case characterized by anomalous quartic gauge couplings.