Fotoprodução difrativa do bóson de Higgs em colisões ultraperiféricas

Abstract

das partículas elementares ainda é um método a ser estabelecido na Física de Partículas, o que poderia ser confirmado com a descoberta do bóson de Higgs. Após diversas propostas para mecanismos de produção, este bóson ainda não foi observado experimentalmente, sendo sua detecção esperada no Grande Colisor de Hádrons. Esta tese propõe um mecanismo de produção central exclusiva difrativa do bóson de Higgs pela fotoprodução, inspirado na abordagem do grupo de Durham para a produção deste bóson por meio da Troca Dupla de Pomerons. A ideia empregada neste mecanismo é combinar as vantagens encontradas na proposta do grupo de Durham com aquelas observadas nas Colisões Ultraperiféricas. O mecanismo de fotoprodução envolve a produção do bóson de Higgs no subprocesso p em alta energia por meio da Troca Dupla de Pomerons, onde a interação difrativa ocorre entre o dipolo de cor proveniente da flutuação do fóton inicial e o conteúdo platônico do próton. Como a massa do bóson de Higgs determina a escala dura da interação, é possível empregar a Cromodinâmica Quântica perturbativa e modelar a interação pela troca de glúons no canal t. Esse mecanismo permite introduzir o vértice de fusão de glúons para a produção do bóson de Higgs, o qual é dominante para a produção do bóson de Higgs em um largo intervalo de massa. Ademais, introduz-se parâmetros fenomenológicos para suprimir a radiação de glúons, bem como predizer corretamente a seção de choque de produção incluindo a Probabilidade de Sobrevivência da Lacuna de Rapidez. Com isso, aplica-se este modelo de interação p em Colisões Ultraperiféricas entre prótons e núcleos usando a Aproximação de Fóton Equivalente para o fluxo de fótons. A seção de choque de produção do bóson de Higgs é estimada para as energias do Tevatron e do LHC, comparando nossas predições com outras obtidas em diferentes propostas na literatura. Além disso, a distribuição em rapidez do bóson de Higgs é estudada, mostrando a centralidade da produção. Como resultado, obtém-se uma taxa de eventos em colisões pp da mesma ordem daquela estimada pelo grupo de Durham, na faixa de 1−6 femtobarn. Contudo, efetuando-se uma análise para inserção da Probabilidade de Sobrevivência da Lacuna de Rapidez no mecanismo de fotoprodução, os resultados se tornam competitivos com aqueles previstos pelos mecanismos de produção eletromagnética e de Troca Dupla de Pomerons, mostrando a fotoprodução difrativa como um meio promissor para a detecção do bóson de Higgs no LHC. Como resultado desta abordagem, as predições para a seção de choque em processos pA demonstra um incremento significativo em relação `as predições anteriores, estimando a seção de choque em colisões pPb da ordem de 1 picobarn. Este resultado é duas ordens de grandeza maior que em colisões pp, contudo a luminosidade e o tempo de operação com colisões pPb será muito menor que em colisões pp. Ainda assim, os eventos serão muito limpos, livres de interações superpostas que ocorrem em alta luminosidades na operação em colisões pp.

After several years of scientific development, the mass generation mechanism for elementary particles is still to be established in particle physics, which would be confirmed with the discovery of a Higgs boson. After many proposals for the production mechanisms, this boson has not yet been observed experimentally, and its detection at the Large Hadron Collider is expected. Here I propose a mechanism of central exclusive diffractive production of the Higgs boson by photoproduction, inspired by the approach of the Durham group for Higgs boson production by Double Pomeron Exchange. The idea employed in this mechanism is to combine the advantages found in the proposal of the Durham group, and those related to ultraperipheral collisions. The photoproduction mechanism involves Higgs boson production in the p subprocess at high energy by Double Pomeron Exchange, where the diffractive interaction occurs between the color dipole resulting from the fluctuation of the initial photon, and the parton content of the proton. As the Higgs boson mass determines the hard scale of the interaction, it is possible to apply perturbative Quantum Chromodynamics, and to describe the interaction by the exchange of gluons in the t-channel. This mechanism allows the introduction of the gluon fusion vertex for Higgs boson production, which is the leading mechanism for a wide range of masses. Moreover, phenomenological parameters are introduced to suppress gluon radiation, and correctly predict the production cross section including the rapidity gaps survival probability. Thus, this mechanism is applied to the p subprocess in ultraperipheral collisions between protons and nuclei using the Equivalent Photon Approximation for the photon flux. The cross section is estimated for Higgs boson production at the Tevatron and LHC energies, comparing these predictions to those from previous work. The Higgs boson rapidity distribution is also predicted to show the production centrality. As a result, the event rate in pp collisions is found to be of the same order as that estimated by the Durham group, in the range 1−6 femtobarn. However, evaluating an analysis to include the rapidity gap survival probability in the photoproduction mechanism, the results become competitive with those predicted by the electromagnetic and Double Pomeron Exchange mechanisms, showing the diffractive photoproduction to be a promising production channel for Higgs boson detection at the LHC. The predictions for the cross section in pA processes show a significant enhancement in comparison to previous estimates, resulting in a cross section for pPb collisions of the order of 1 picobarn. This is two orders of magnitude higher than in pp collisions, however both the luminosity and the running time with pPb collisions will be much lower than in pp ones. Nevertheless the events are going to be very clean, free of the pile-up present in high luminosities pp runnings.