12. Прямое рождение фотонов

    Прямое (быстрое) рождение фотонов определяется как дополнительное к рождению через распады частиц, в первую очередь π⁰ и η-мезонов. К процессам прямого рождения относятся жесткие процессы и процессы фрагментации. Фотоны, образованные в жестких процессах, называют прямыми (direct) фотонами, в процессе фрагментации цветных партонов с большими поперечными импульсами образуются фрагментационные фотоны. Прямые и фрагментационные фотоны можно объединить термином пряморожденные, или быстрые (prompt).
    Пряморожденные на адронных коллайдерах фотоны позволяют проводить сравнение с предсказаниями пертурбативной квантовой хромодинамики. Их измерения чувствительны к глюонной составляющей в структуре протона, поскольку доминирующим механизмом их рождения на БАК является процесс кварк-глюонного взаимодействия qg → qγ. В эксперименте ATLAS измерены дифференциальные сечения пряморожденных фотонов в широком диапазоне поперечной энергии фотонов Е_Т^γ  от 100 ГэВ до 1 ТэВ [1]. Использованы полные данные 2011 г. при энергии рр соударений 7 ТэВ. В анализе использованы изолированные фотоны, т.е. при условии, что в конусе вокруг направления фотона с радиусом R = √((Δη)² + (Δφ)²) = 0.4 выделяется энергия Е_Т^iso менее 7 ГэВ. На рис.12.1 приведены измеренные  дифференциальные сечения для центральной области по псевдобыстроте |η^γ| < 1.37  и торцевых областей 1.52 ≤ |η^γ| < 2.37.  В этих областях высока эффективность регистрации фотонов и низкий фон.  Расчеты сечений NLO КХД выполнены с помощью генератора JETPHOX 1.3 MC, которые включают расчеты как прямых жестких, так и фрагментационных процессов. Вклад в спектр от фрагментационных процессов уменьшается с ростом Е_Т^γ и становится пренебрежимо малым для Е_Т^γ выше 500 ГэВ. Сравнение проведено также с расчетами в лидирующем порядке КХД с помощью генераторов PYTHIA и HERWIG. Оба включают фрагментационный механизм рождения фотонов через партонные ливни. Расчеты NLO согласуются с данными до наиболее высоких энергий. Некоторое расхождение заметно для малых Е_Т^γ. Это более отчетливо проявляется при сравнении  дифференциального сечения по псевдобыстроте dσ/dη^γ, приведенного на рис.12.2. Оно имеет плоский характер до значений 
|η^γ| ~ 1.5 и несколько хуже согласуется с результатами расчетов, поскольку по числу фотонов преобладают фотоны с малыми Е_Т^γ.  Наблюдаются также различия предсказаний для разных структурных функций. Генератор PYTHIA описывает данные хорошо, тогда как HERWIG предсказывает сечения на 10-20% ниже экспериментальных. Оба эти генератора правильно передают форму распределений по Е_Т^γ.
    Экспериментальные спектры по  Е_Т^γ сравниваются также с Монте Карло расчетами только для жестких процессов рождения прямых фотонов в лидирующем порядке КХД qg → qγ и q → gγ на рис.12.3. Хорошо видно расхождение с данными при малых Е_Т^γ на уровне 20%. Расхождение исчезает при больших Е_Т^γ. В эту область не дают вклад фрагментационные процессы. Этот результат показывает, что фрагментационные вклады, отвечающие высшим порядкам КХД, влияют на форму распределения по Е_Т^γ.
    Полное инклюзивное сечение прямых фотонов в кинематической области Е_Т^γ > 100 ГэВ, 
|η^γ| < 1.37  и Е_Т^iso < 7 ГэВ составляет σ(γ + Х) = 236 ± 2(стат.)+13-9(сист.)±4(свет.) пб. Это значение можно сравнить с предсказанием  PYTHIA224 пб, HERWIG 187 пб, NLO предсказывает
203 ± 25 (теор.) для структурной функции CT10 и 212 ±  24 (теор.) для структурной функции  MSTW2008NLO. Для области на торцах  Е_Т^γ > 100 ГэВ, 1.52≤ |η^γ| < 2.37  и Е_Т^iso < 7 ГэВ сечение прямых фотонов составляет σ(γ + Х) = 123 ± 1(стат.)+9-7(сист.)±2(свет.) пб, что можно сравнить с предсказаниями 118пб для PYTHIA, 99 пб для HERWIG и NLO 105 ± 15 (теор.) для  CT10 и
109 ±  15 (теор.) для  MSTW2008NLO.

Рис.12.1.Дифференциальные сечения dσ/dЕ_Т^γ пряморожденных фотонов в центральной области
|lη^γ| < 1.37  и торцевых областях 1.52≤ |η^γ| < 2.37 в сравнении с предсказаниями КХД [1].

Рис.12.2. Дифференциальное сечение dσ/dη^γ пряморожденных фотонов вместе с предсказаниями тех же генераторов в рр соударениях при энергии 7 ТэВ.

Рис.12.3. Дифференциальное сечение dσ/dЕ_Т^γ пряморожденных фотонов в центральной области
|η^γ| < 1.37  в сравнении с предсказаниями в лидирующем порядке КХД [1].

    В эксперименте ATLAS на тех же данных 2011 г. измерены дифференциальные сечения пар изолированных фотонов с поперечными энергиями Е_Т^γ > 25 ГэВ и 22 ГэВ в областях аксептанса электромагнитрого калориметра по псевдобыстроте |η^γ| < 1.37  и 1.52 ≤ |η^γ| < 2.37 [2]. Угловое расстояние между фотонами ΔR > 0.4. Сечение таких пар фотонов найдено равным 44,4^+3.2_-4.2 пб. Измерены дифференциальные спектры пар по инвариантной массе, поперечному импульсу пары, разности азимутальных углов между фотонами и углу в системе Коллинза-Сопера. На рис.12.4 приведены спектры по инвариантной массе пары и разности азимутальных углов в паре. Показано сравнение с предсказаниями NLO (генератор DIPHOX+GAMMA2MC) и NNLO (генератор 2γNNLO). Предсказания для сечения пар составляют 39⁺⁷_-6 пб для DIPHOX+GAMMA2MC и 44⁺⁶_-5 пб для 2γNNLO. Второе находится в наилучшем согласии с экспериментом. Можно отметить, что PYTHIA и SHERPA предсказывают здесь только по 36 пб.

Рис.12.4. Спектры по инвариантной массе пары изолированых фотонов и по разности азимутальных углов в паре в сравнении с предсказаниями NLO(генератор DIPHOX+GAMMA2MC) и NNLO (генератор 2γNNLO) [2].

    Важный вклад в анализ динамики процессов квантовой хромодинамики дают измерения совместного рождения изолированных фотонов и струй [3,4]. Эти измерения дают более надежное сравнение с расчетами по сравнению с измерениями только струй, поскольку наличие изолированного фотона указывает непосредственно на факт жесткого рассеяния. Кроме того, такие пары представляют основной фон при выделении распадов бозона Хиггса на два фотона. Для примера на рис.12.5  приведен спектр  Е_Т^γ ( Е_Т^γ > 40 ГэВ) для пар фотон-струя в рр соударениях при
7 ТэВ в сравнении с предсказаниями NLO(Jetphox) генератора с разными структурными функциями [3].

Рис.12.5. Усредненный по бинам спектр  Е_Т^γ,  Е_Т^γ > 40 ГэВ для пар фотон-струя в рр соударениях при 7 ТэВ в сравнении с предсказаниями NLO (Jetphox) генераторов [3].

Литература к разделу 12

1. Measurement of the inclusive isolated prompt photon cross section in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector using 4.6 fb^-1, ATLAS Collaboration, arXiv:1311.1440, subm. to PRD.
2. Measurement of isolated-photon pair production in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, JHEP01(2013)086
3. Dynamics of isolated-photon and jet production in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector , ATLAS Collaboration, Nucl. Phys, B 875 (2013) 483-535
4. Measurement of the production cross section of an isolated photon associated with jets in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, Phys.Rev. D85 (2012) 092014.
5. A study of the sensitivity to the proton parton distributions of the inclusive photon production cross section in pp collisions at 7 TeV measured by the ATLAS experiment at the LHC, ATLAS Collaboration, ATLAS Collaboration, ATL-PHYS-PUB-2013-018