[論文レビュー] First measurement of elastic, inelastic and total cross-section at $\sqrt{s}=13$ TeV by TOTEM and overview of cross-section data at LHC energies

The TOTEM Collaboration, Antchev+87 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 66

ひとこと要約

TOTEMは13 TeVでの弾性・非弾性・総プロトン-プロトン断面積のルミノシティ独立測定の初となる結果を報告し、σ_tot = 110.6 ± 3.4 mb、σ_el = 31.0 ± 1.7 mb、σ_inel = 79.5 ± 1.8 mb を得た。σ_el/σ_tot = 0.281 ± 0.009 および σ_el/σ_inel = 0.390 ± 0.017。

ABSTRACT

The TOTEM collaboration has measured the proton-proton total cross section at $\sqrt{s}=13$ TeV with a luminosity-independent method. Using dedicated $β^{*}=90$ m beam optics, the Roman Pots were inserted very close to the beam. The inelastic scattering rate has been measured by the T1 and T2 telescopes during the same LHC fill. After applying the optical theorem the total proton-proton cross section is $σ_{ m tot}=(110.6 \pm 3.4$) mb, well in agreement with the extrapolation from lower energies. This method also allows one to derive the luminosity-independent elastic and inelastic cross sections: $σ_{ m el} = (31.0 \pm 1.7)$ mb and $σ_{ m inel} = (79.5 \pm 1.8)$ mb.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV でルミノシティ独立法を用いて総pp断面積を決定する。
• 弾性および非弾性散乱率を同時に測定して断面積を導出する。
• 光学定理を用いて弾性データを t = 0 に外挿して σ_tot を得る。
• LHCエネルギーでの断面データの総合的な概観を提供し、低エネルギー測定と比較する。

提案手法

• ビーム光学 β* = 90 m および Roman Pots を用いてビーム近傍で弾性散乱陽子を検出する。
• 同じ LHC 充填期間中に T1 および T2 テレスコープで非弾性率を測定する。
• dN_el/dt|_{t=0} および N_el+N_inel から σ_tot を抽出するために光学定理を適用する。
• 幾何受容、ビーム発散、展開、検出器の非効率性をデータ駆動および MC 手法で補正する。
• 非弾性イベントを (2h および 1h トポロジー) に分類し、ビームガス、パイルアップ、トリガー効率など複数の補正を適用する。
• σ_el および σ_inel の比と和に基づくルミノシティ独立な決定を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV でルミノシティ独立法を用いた弾性・非弾性・総pp断面積はどれくらいか。
• RQ2 13 TeV の断面データは、低エネルギーの TOTEM 測定およびグローバルフィットとどのように比較されるか。
• RQ3 13 TeV における elastic/total および elastic/inelastic 比はどのようで、エネルギーとともにどう変化するか。
• RQ4 t = 0 付近の弾性散乱から推定される傾斜パラメータ B は何で、外挿とどう比較されるか。

主な発見

• σ_tot = 110.6 ± 3.4 mb (ρ = 0.1 を仮定).
• σ_el = 31.0 ± 1.7 mb および σ_inel = 79.5 ± 1.8 mb (ルミノシティ独立).
• σ_el/σ_inel = 0.390 ± 0.017 および σ_el/σ_tot = 0.281 ± 0.009.
• Differential elastic rate dN_el/dt|_{t=0} は、アクセス可能な t 範囲に対して測定された dN_el/dt の指数関数フィットから得られる。
• The study confirms consistency with extrapolations from lower energies and provides the first 13 TeV cross-section measurements in a luminosity-independent framework.
• The analysis includes detailed corrections for acceptance, unfolding, alignment, optics uncertainties, and inelastic event topologies (2h and 1h).