[論文レビュー] First determination of the $ρ$ parameter at $\sqrt{s} = 13$ TeV -- probing the existence of a colourless three-gluon bound state

TOTEM Collaboration, G. Antchev+94 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 46

ひとこと要約

TOTEM 協力は 13 TeV で ρ パラメータを前例のない精度で測定し、カラーなしの3-グルオン結合状態を含むモデルを検証し、Coulomb 正規化による新しい全断面積を決定し、COMPETEモデルを除外する。

ABSTRACT

The TOTEM experiment at the LHC has performed the first measurement at $\sqrt{s} = 13$ TeV of the $ρ$ parameter, the real to imaginary ratio of the nuclear elastic scattering amplitude at $t=0$, obtaining the following results: $ρ= 0.09 \pm 0.01$ and $ρ= 0.10 \pm 0.01$, depending on different physics assumptions and mathematical modelling. The unprecedented precision of the $ρ$ measurement, combined with the TOTEM total cross-section measurements in an energy range larger than 10 TeV (from 2.76 to 13 TeV), has implied the exclusion of all the models classified and published by COMPETE. The $ρ$ results obtained by TOTEM are compatible with the predictions, from alternative theoretical models both in the Regge-like framework and in the QCD framework, of a colourless 3-gluon bound state exchange in the $t$-channel of the proton-proton elastic scattering. On the contrary, if shown that the 3-gluon bound state $t$-channel exchange is not of importance for the description of elastic scattering, the $ρ$ value determined by TOTEM would represent a first evidence of a slowing down of the total cross-section growth at higher energies. The very low-$|t|$ reach allowed also to determine the absolute normalisation using the Coulomb amplitude for the first time at the LHC and obtain a new total proton-proton cross-section measurement $σ_{tot} = 110.3 \pm 3.5$ mb, completely independent from the previous TOTEM determination. Combining the two TOTEM results yields $σ_{tot} = 110.5 \pm 2.4$ mb.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV における前方ハドロン振幅の実部と虚部の比率 ρ を測定・動機づける。tチャネルにおけるカラーなしの3-グリオン交換の可能性を探る。
• 絶対正規化のために Coulomb-nuclear interference を用いて 13 TeV における σ_tot を測定する。
• 新しい ρ の値が高エネルギーエラスティック散乱全体にわたる現象論的モデルおよび COMPETE の予測をどのように制約するかを評価する。

提案手法

• β* = 2500 m の光学系で Roman Pots を搭載した TOTEM フォワードプロトン分光計を用い、非常に低い |t| および Coulomb-nuclear interference (CNI) にアクセスする。
• 2RP または 4RP 分析から陽子運動学を再構成し、|t| を約 8×10^-4 GeV^2 まで下げて dσ/dt を抽出する。
• 背景、受容、非効率性の補正を含む差分断面を得るため、慎重なアライメント、光学較正、分解能の展開を適用する。
• 前方領域の dσ/dt から Coulomb および核振幅を取り入れて ρ を抽出し、Coulomb 正規化を用いて σ_tot を決定する。
• データを fill および diagonal configurations で分離し、統計的に制御された系統誤差とともに統合する。
• Regge様式および QCD 系のフレームワークにおけるモデルとの比較を提示し、Odderon様式の交換および横断量の増加に対する含意を論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV における ρ パラメータはいくつで、Pomeron のみ予測や他のモデルとどのように比較されるか？
• RQ2 13 TeV で測定された ρ と σ_tot は高エネルギーエラスティック散乱の COMPETE パラメータ集合を制約または除外できるか？
• RQ3 データは tチャネルにおけるカラーなしの三-グリオン結合状態の交換の証拠を提供するか？
• RQ4 Coulomb 正規化を用いた場合の 13 TeV における σ_tot はいくつで、以前の TOTEM 測定とどう比較されるか？
• RQ5 TOTEM の結果は高エネルギーにおける横断量の増大および潜在的な飽和の解釈にどのように影響するか？

主な発見

• ρ = 0.09 ± 0.01 および ρ = 0.10 ± 0.01、モデリング仮定に依存。
• 前例のない ρ の精度と TOTEM の σ_tot 測定を組み合わせると、全ての COMPETE モデルを除外する。
• カラーなしの 3-グリオン結合状態交換を含む Regge-like および QCD ベースのモデルの予測と TOTEM の結果は両立する。
• Coulomb 正規化により σ_tot = 110.3 ± 3.5 mb、微分断面積結果と組み合わせると σ_tot = 110.5 ± 2.4 mb。
• この測定は tチャネルでの 3-グリオン結合状態交換の可能性を支持しつつ、もしその交換が支配的でない場合には横断量の増加の飽和を含む解釈を許す。