[論文レビュー] Elastic pp scattering and the internal structure of colliding proton

M. V. Lokajíček, V. Kundrát|ArXiv.org|Sep 17, 2009

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、53 GeVにおける弾性陽子-陽子散乱を、最大半径が1.64 fmおよび1.42 fmの2つの内部陽子構造の衝突の重ね合わせとして解釈する確率的モデルを提案する。衝突パrameterに依存する相互作用確率をモデル化し、微分断面積データにフィットさせることで、|t| ∈ (0, 4) GeV²の範囲で実験データと優れた一致を達成した。これは、低運動量移転散乱において、外縁的で拡張した陽子構造が支配的であり、全断面積推定に光学定理を用いる従来の手法が疑わしいことを示唆している。

ABSTRACT

Elastic scattering data gained for proton-proton collisions at high energies are being analyzed at the present practically only with the help of purely phenomenological mathematical models. And the question exists whether in the impact parameter plane the elastic processes may be interpreted as central or peripheral. From realistic point of view the peripherality should be preferred and one may expect that nucleon dimensions should manifest in some way in elastic data. It will be demonstrated that the elastic pp data at the energy of 53 GeV in the interval |t| from (0., 4.) [GeV^2] may be interpreted well as the superposition of mutual collisions of two internal structures with maximal external dimensions; the approximate dimensions and frequencies of corresponding structures being established on the basis of measured elastic data.

研究の動機と目的

• 高エネルギーにおける弾性散乱データから、陽子の内部構造、特にその最大外部寸法が推定可能かどうかを調査すること。
• 変動する内部陽子構造に基づく確率的フレームワークを導入することで、従来の弾性pp散乱の表象的モデルに挑戦すること。
• 中心的散乱モデルと比較して、外縁的で拡張した陽子構造が低|t|弾性データをよりよく説明できるかどうかを検証すること。
• 最大確率がt=0に現れないことにより、ハドロン散乱における光学定理の妥当性を再評価すること。これは、その仮定に反する。

提案手法

• モデルは、最大半径がb₁ = 1.64 fmおよびb₂ = 1.42 fmの2つの異なる内部状態を持つ陽子を仮定し、それぞれ確率p₁およびp₂を有する。
• 全微分断面積は、3種類の衝突タイプp₁²、2p₁p₂、p₂²の重み付き和としてモデル化され、それぞれが異なる衝突パrameter範囲に対応する。
• 各衝突タイプjについて、平均運動量移転tは衝突パrameterbの単調減少関数fⱼ(b)としてモデル化され、逆関数f̄ⱼ(t)を用いてtからbにマッピングされる。
• 微分断面積はFⱼ(t) = 2πgⱼ(f̄ⱼ(t)) · df̄ⱼ(t)/dtで計算され、ここでgⱼ(b) = aⱼ(b) · eⱼ(b)は、全相互作用確率と弾性分率の積を表す。
• 関数aⱼ(b)およびeⱼ(b)は実験データにフィットされ、aⱼ(b)は全断面積寄与を表し、eⱼ(b)は弾性分率を表す。
• 全断面積および弾性断面積は、bに関する積分により計算される：σⱼ = 2π∫b aⱼ(b) dbおよびσⱼ^el = 2π∫b aⱼ(b)eⱼ(b) db。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 53 GeVにおける弾性pp微分断面積は、最大外部寸法が1.64 fmおよび1.42 fmの2つの異なる内部陽子構造の重ね合わせとして説明可能か？
• RQ2 低|t|における微分断面積の観察された挙動は、拡張した陽子構造が支配的な外縁的衝突メカニズムを支持するか？
• RQ3 t=0における最大確率の不在は、ハドロン散乱における光学定理の前提に反するが、その程度はどの程度か？
• RQ4 低|t|弾性散乱データに最もよく適合する2つの主要な内部陽子構造の推定半径および確率は何か？
• RQ5 導出された全断面積および弾性断面積は、光学定理に基づく一般的に受け入れられている値と比較してどう異なるか？

主な発見

• モデルは|t| ∈ (0, 4) GeV²の範囲で実験的弾性微分断面積データと優れた一致を示し、フィット曲線が測定点に非常に近接している。
• 2つの主要な陽子構造の最大半径は1.64 fmおよび1.42 fmであり、これはデータで観測された最大外部寸法に対応する。
• 2つの構造の全断面積は35.9 mbと計算され、光学定理から得られる一般的に受け入れられている43 mbよりも顕著に低い。
• モデルからの弾性断面積は7.31 mbであり、実験値7.57 mbと強く一致している。
• tの確率分布はt=0でピークを示さず、光学定理に反する。これは、この文脈において光学定理の無効性を示唆している。
• クーロン相互作用は測定断面積のわずかな割合（r_C）に寄与するが、その形因子の振る舞いは、内部構造の楕円体形状によって説明可能である。