[論文レビュー] Exclusive and semi-exclusive $π^+π^-$ production in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、LHCのCMS検出器を用いて、$√s} = 7$ TeVにおける陽子-陽子衝突における排他的および半排他的$π^+π^-$生成の測定が行われた。統合した光度が450 $μ$b$^{-1}$である状況下で、$p_\text{T} > 0.2$ GeV/cおよび$|y| < 2$の条件における二π中間子断面積は、$26.5 \pm 0.3^{\text{stat}} \pm 5.0^{\text{syst}} \pm 1.1^{\text{lum}}$ $μ$bとして測定され、DPE支配の過程に対する記述的予測と比較された。

ABSTRACT

A measurement is presented of the exclusive and semi-exclusive production of charged pion pairs in proton-proton collisions, pp to p(p*) + $π^+π^-$ + p(p*) here the $π^+π^-$ pair is emitted at central rapidities, and the scattered protons stay intact (p) or diffractively dissociate (p*) without detection. The measurement is performed with the CMS detector at the LHC, using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 450 inverse microbarns collected at a center-of-mass energy of 7 TeV. The dipion cross section, measured for single-pion transverse momentum pt &gt;0.2 GeV and rapidity abs(y)&lt;2, is 26.5 +/- 0.3 (stat) +/- 5.0 (syst) +/- 1.1 (lumi) microbarns. The differential cross sections measured as a function of the invariant mass, pt, and y of the pion pair, and as a function of single-pion pt, are compared to phenomenological predictions.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における排他的および半排他的$\\pi^+\\pi^-$生成を、$\\sqrt{s} = 7$ TeVで測定すること。
• 高エネルギー領域における中央部$\\pi^+\\pi^-$生成における二ポンプロン交換（DPE）の支配的性を調べること。
• 二ポンプロン生成の微分断面積（インバリアント質量、横運動量、ラピディティ）を記述的DPEモデルと比較すること。
• DPE過程を通じてグルーオン結合子およびメソンスペクトルの構造を調べ、予測を検証すること。
• 特にスカラーおよびテンソル中間子からの共鳴的および非共鳴的寄与を、二π中間子最終状態において制限すること。

提案手法

• LHCのCMS検出器が、$\\sqrt{s} = 7$ TeVで450 $\\mu$b$^{-1}$の統合光度を有するデータを収集した。
• 陽子が破壊されず、または断層的破壊を経て検出されない状況下で、中央部の$\\pi^+\\pi^-$ペア生成（$p_\\text{T} > 0.2$ GeV/cおよび$|y| < 2$）に基づくイベント選別を行った。
• 非共鳴的連続体およびスカラー・テンソル中間子の共鳴的崩壊を含むDPE過程をモデル化するためにモンテカルロシミュレーションを用いた。
• トラッカー、ECAL、HCALシステムを用いた運動量再構築および粒子識別を実施し、$\\pi^+\\pi^-$ペアを分離した。
• BPTXビームタイミングおよびトラッキング情報を利用したトリガーおよびオフライン選別基準を導入し、バックグラウンドを低減した。
• トラッキング効率、粒子識別、光度、検出器応答に関するシステム的不確実性を評価した。

Figure 1: Representative diagrams for (semi)exclusive central $\PGpp\PGpm$ production in proton-proton collisions. (left) Double pomeron exchange continuum, and (right) photon-pomeron interaction with production of a \Pgr meson that subsequently decays into a pair of pions.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子-陽子衝突における排他的および半排他的$\\pi^+\\pi^-$生成の全断面積は、$\\sqrt{s} = 7$ TeVでどの程度か？
• RQ2 $\\pi^+\\pi^-$ペアのインバリアント質量、横運動量、ラピディティに関する微分断面積は、DPEに基づく記述的モデルとどのように一致するか？
• RQ3 スカラーおよびテンソル中間子からの共鳴的寄与は、DPE領域における二π中間子最終状態においてどの程度支配的か？
• RQ4 観測された断面積の何パーセントが二ポンプロン交換に起因し、それ以外のメカニズム（二光子融合やベクトル中間子光起電生成など）に起因するか？
• RQ5 現在のDPEモデルは、中央領域における$\\pi^+\\pi^-$系の運動量分布をどの程度よく記述できるか？

主な発見

• $p_\\text{T} > 0.2$ GeV/cおよび$|y| < 2$の条件における全二π中間子断面積は、$26.5 \pm 0.3^{\\text{stat}} \pm 5.0^{\\text{syst}} \pm 1.1^{\\text{lum}}$ $\\mu$bとして測定された。
• 二π中間子インバリアント質量に関する微分断面積は、低質量域で上昇しており、非共鳴的DPE寄与と整合的である。
• パイオンペアの$p_\\text{T}$および$y$に関する微分分布は、特に二グルーオン交換を組み込んだ記述的DPEモデルによってよく記述されている。
• スカラーおよびテンソル中間子からの共鳴的寄与が、インバリアント質量スペクトルに観測されており、1.0 GeV/c$^2$付近に顕著なピークが見られた。
• 二光子融合の寄与は理論的推定と一致して微小であり、解析には含まれなかった。
• システム的不確実性は光度および検出器応答に起因しており、光度による全断面積の不確実性は4.5%であった。

Figure 3: Detector-level distributions for the 5402 signal events with $N_{\text{extra}}$ = 0 (filled circles), compared with the background estimated from control regions in data (open circles), as explained in the text. The pion pair a) invariant mass, b) \pt , c) rapidity, and d) single-pion \pt