[論文レビュー] Diffraction, Saturation and pp Cross Sections at the LHC

K. Goulianos|arXiv (Cornell University)|May 25, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、飽和およびユニタリティ制約に基づく現象論的モデルを提案し、LHCにおける全微分断面積および非弾性プロトン-プロトン断面積を予測する。実験的に決定されたパラメータ $s_F = 22$ GeV と $s_o$ を用いた飽和Froissart上限を用いることで、$√{s} = 7$ TeV における $σ_{̄n} = 71 \pm 6$ mb の予測が得られ、ATLASおよびCMSの測定値と非常に良好に一致する。このモデルは、LHCにおけるディファラクティブ過程のための堅牢なシミュレーションフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Results from the large hadron collider (LHC) show that no available Monte Carlo simulation incorporates our pre-LHC knowledge of soft and hard diffraction in a way that could be reliably extrapolated to LHC energies. As a simulation is needed to establish triggers, perform underlying event corrections and calculate acceptances, the lack of a robust simulation affects all measurements at the LHC. Particularly affected are the measurements of processes with large diffractive rapidity gaps, which constitute about one quarter of the inelastic cross section. In this paper, a previously described phenomenological model based on a saturation effect observed in single diffraction dissociation in pre-LHC data, validated by its successful application to several diffractive processes, is used to predict the total and total-inelastic proton-proton cross sections at the LHC. The prediction for the total-inelastic cross section at a center of mass collision energy of 7 TeV is compared with recent results from ATLAS and CMS.

研究の動機と目的

• LHCにおけるディファラクティブ過程のための信頼できるモンテカルロシミュレーションの不足が、トリガー設定、アンダーライニングイベント補正、および受容率計算に与える影響を是正すること。
• LHC以前の単一ディファラクションデータで観測された飽和効果を組み込んだ、現象論的根拠に基づいたユニタリティモデルを提供すること。
• 実験的に決定されたパラメータを用いた飽和Froissart上限を用いて、LHCエネルギーにおける全断面積および非弾性 $pp$ 断面積を予測すること。
• 特に $√{s} = 7$ TeV におけるATLASおよびCMSの $σ_{̄n}$ 測定値と照合することで、モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• モデルは、$\sigma_t \sim \ln^2(s/s_F)$ の形をとる飽和Froissart上限を用い、$s_F = 22$ GeV はLHC以前のデータから決定された飽和スケールである。
• 係数 $C = \pi / s_o$ はパイオン質量スケールから導出され、$s_o$ は単一ディファラクションデータへの実験的フィットから決定される。
• 全断面積は $\sigma_t^{\text{LHC}} = \sigma_t^{\text{CDF}} + \frac{\pi}{s_o} \left[ \left(\ln \frac{s^{\text{LHC}}}{s_F} \right)^2 - \left(\ln \frac{s^{\text{CDF}}}{s_F} \right)^2 \right]$ により計算される。
• 弾性および非弾性断面積は、既存データへのグローバルフィットから得られる比 $R_{\text{el/t}} = \sigma_{\text{el}} / \sigma_t$ を用いて導出される。
• レッジ理論や複雑なユニタリゼーションスキームに依存せず、直接的にアモーチュード構造に飽和効果を埋め込むことで、モデルは簡素化されている。
• モデルは、$√{s} = 7$ TeV におけるATLASおよびCMSの $σ_{̄n}$ 測定値との比較により、妥当性が検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なモンテカルロシミュレーションに依存せずに、飽和に基づく現象論的モデルがLHCエネルギーにおける全断面積および非弾性 $pp$ 断面積を信頼性高く予測できるか？
• RQ2 $s_F = 22$ GeV を用いた飽和Froissart上限を組み込むことで、レッジ理論ベースのモデルと比較して、ディファラクティブ過程の記述がどの程度改善されるか？
• RQ3 $√{s} = 7$ TeV におけるモデルの $σ_{̄n}$ 予測が、ATLASおよびCMSの測定値とどの程度一致するか？
• RQ4 ユニタリティおよび飽和効果が、高エネルギー領域における $\sigma_t$、$\sigma_{\text{el}}$、$\sigma_{\text{inel}}$ の $s$ 依存性に及ぼす影響はいかほどか？

主な発見

• モデルは $√{s} = 7$ TeV で $σ_{̄n} = 71 \pm 6$ mb を予測し、ATLASの結果 $69.4 \pm 2.4$ (実験的) $\pm 6.9$ (外挿的) mb と整合している。
• 8 TeV における $σ_{̄n}$ の予測は $72 \pm 6$ mb、14 TeV では $76 \pm 8$ mb である。
• 14 TeV における全断面積の予測は $109 \pm 12$ mb であり、他の理論的予測の範囲内にある。
• 7 TeV におけるモデルの $σ_{̄n}$ 予測は、CMSの結果 $66.8 \leq \sigma_{\text{t}}^{\text{inel}} \leq 74.8$ mb と良好に一致している。
• 14 TeV におけるモデルの $\sigma_t$ 予測は、グローバルフィット値 $114 \pm 5$ mb と整合している。
• モデルは、$s_F = 22$ GeV と $s_o$ の2つの実験的に決定されたパラメータ以外に、追加のチューニングを必要とせず、飽和効果とユニタリティ制約を効果的に組み込んでいる。