[論文レビュー] Diffractive cross sections and event final states at the LHC

K. Goulianos|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2010

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける$\sqrt{s} = 14$ TeVまでの$pp$および$\bar{p}p$衝突における微分断面積および最終状態を記述するため、単一フラグメンテーションにおける飽和効果に基づく現象論的モデルを提案する。多ギャップ微分衝突を記述するための正規化モデルと、飽和したFroissart限界を用いて全断面積を予測し、$\sigma_{\text{tot}}^{14\text{TeV}} = 109 \pm 12$ mbを導出し、グローバルフィットと良好に一致する。

ABSTRACT

We discuss a phenomenological model that describes results on diffractive pp and pbar-p cross sections and event final states up to the Fermilab Tevatron collider energy of 1.96 TeV and use it to make predictions for Large Hadron Collider (LHC) collision energies up to 14 TeV and asymptotically as the pp collision energy goes to infinity. The model is anchored in a saturation effect observed in single diffraction dissociation that explains quantitatively the factorization breaking observed in soft and hard pp and pbar-p diffractive processes and in diffractive photoproduction and low Q-square deep inelastic scattering.

研究の動機と目的

• 高エネルギーLHCにおける微分過程を正確に記述できない既存のモンテカルロジェネレータ（PYTHIA、PHOJET）の失敗に対処する。
• 固定標的にからLHCまでのエネルギー範囲で、微分最終状態を堅牢にシミュレートできるフレームワークを構築する。
• 単一フラグメンテーション分散における飽和メカニズムを通じて、ソフトおよびハード微分衝突における因子分解の破れを説明する。
• $\sqrt{s} = 14$ TeVまでおよび漸近的に、全断面積および微分断面積の予測モデルを提供する。

提案手法

• 単一フラグメンテーションで観測された飽和効果に裏付けられた、$d^2\sigma/d\xi dt$を記述する正規化モデル（Rモデル）を用いる。
• 飽和Froissart限界を適用：$\sigma_t(s) = (\pi/s_o) \cdot \ln^2(s/s_F)$、ここで$s_F = 22$ GeVであり、$s_o$はCDFデータから抽出される。
• 低エネルギーにおけるグローバルフィットを用いて、前方振幅の実部および虚部を決定するため、光学定理および分散関係を適用する。
• ギャップに囲まれた迅速度領域に粒子生成が起こることを想定し、「ネスティング」を用いて多ギャップ最終状態をモデル化する。
• 包含的パートン分布関数（PDF）およびQCD色因子に基づいて導出された正規化された微分多ギャップ断面積を用い、ギャップ数に依存しない$s^{2\epsilon}$正規化因子を導入する。
• 上記の入力を用いて、$pp \to X$非弾性衝突から出発するモンテカルロアルゴリズムを構築し、エネルギースケールを問わず堅牢に最終状態をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現象論的モデルは、ソフトおよびハード微分$pp$および$\bar{p}p$過程における観測された因子分解の破れをどのように説明できるか？
• RQ2 $\sqrt{s} = 14$ TeVにおける全断面積および微分断面積の挙動は何か？ また、既存のグローバルフィットと比較するとどうなるか？
• RQ3 多ギャップ微分衝突は、迅速度ギャップの抑制なしにQCDダイナミクスを調べるプローブとして利用可能か？
• RQ4 標準的なモンテカルロジェネレータはなぜ高エネルギーで失敗するのか？ そのシミュレーションフレームワークはどのように改善できるか？

主な発見

• 予測された$\sqrt{s} = 14$ TeVにおける全断面積は$109 \pm 12$ mbであり、グローバルフィット値の$114 \pm 5$ mbと一致する。
• モデルは$\sqrt{s} = 7$ TeVにおける$\sigma_{\text{tot}} = 98 \pm 8$ mbを予測し、LHCデータの期待値と一致する。
• 正規化モデルの$s^{2\epsilon}$要因により、多ギャップ断面積がギャップ数に依存しなくなり、シミュレーションが堅牢になる。
• 単一フラグメンテーション分散における飽和効果は、ソフトおよびハード微分衝突における因子分解の破れを定量的に説明する。
• モデルの$d^2\sigma/d\xi dt$および全断面積の予測は、Tevatronからの実験的データおよびQCDの原則に基づいている。
• このフレームワークにより、固定標的から衝突加速器エネルギーまでの一元的な微分過程のシミュレーションが可能となり、多ギャップ最終状態を含む。