[論文レビュー] Forward Physics at the LHC

A. D. Martin, M. G. Ryskin+1 more|ArXiv.org|Mar 17, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるソフト散乱観測量および特異的ヒッグス粒子生成を予測するため、吸収補正項と多ペロン交換を含む多成分eikonalモデルを提示する。$k_t$-依存性を持つペロン成分と強化された散乱効果を組み込み、$√s = 14$ TeVにおける全断面積を約90 mb、急速性ギャップの生存確率を抑制することで背景を低減し、400 mの前方陽子検出器を用いた質量欠損法による$∆ M_H \sim 1-2$ GeVの精度でクリアなヒッグス粒子検出を可能にする。

ABSTRACT

We review two inter-related topics. First, we consider the behaviour of "soft" scattering observables, such as sigma_{tot}, dsigma_{el}/dt, dsigma_{SD}/dtdM^2, particle multiplicities etc., at high-energy proton-(anti)proton colliders. We emphasize the sizeable effects of absorption on high-energy `soft' processes, and, hence, the necessity to include multi-Pomeron-Pomeron interactions in the usual multi-channel eikonal description. We describe a multi-component model which has been tuned to the available data for soft processes in the CERN-ISR to Tevatron energy range, and which therefore allows predictions to be made for `soft' observables at the LHC. The second topic concerns the calculation of the rate of exclusive processes of the form pp --> p+A+p at high energy colliders, where A is a heavy system. In particular, we discuss the survival probability of the rapidity gaps (denoted by the + signs) to both eikonal and enhanced soft rescattering effects. At the LHC energy, the most topical case is when A is a Higgs boson. At the Tevatron, measurements have been made for the exclusive diffractive production of various systems: A being either gamma-gamma, dijet, or a chi_c meson. We compare the observed rates with the expectations. Finally, we describe how predictions for exclusive processes may be checked in the early runs of the LHC.

研究の動機と目的

• LHCエネルギーにおける高精度な予測を可能にする、自己整合的で吸収補正を施したソフトハドロン相互作用のモデルを構築すること。
• 特異的過程（例：$pp \to p + H + p$）における強化されたソフト散乱効果が急速性ギャップの抑制に与える影響を定量化すること。
• 前方陽子検出器（400 m）を用いた質量欠損法により、正確なヒッグス粒子質量測定を可能とすること。
• Tevatronの特異的$\gamma\gamma$、ジジェット、$\chi_c$生成に関するデータと比較することで、モデルの妥当性を検証すること。
• 初期LHCランにおける理論的枠組みの妥当性を検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 影響パラメータ依存の吸収率$\Omega(s,b)$を用いた多チャネルeikonal形式を用い、弾性および非弾性散乱を記述する。
• 単一ペロン交換を超える吸収補正を記述するため、完全な三レッジ図を用いた多ペロン-ペロン相互作用を組み込む。
• QCD力学におけるソフト〜ハード遷移をモデル化するため、異なる横運動量（$k_t$）スケールを持つ三成分ペロンを導入する。
• 光学定理とユニタリティ制約を用い、全断面積、弾性断面積、非弾性断面積をeikonal関数$\Omega(s,b)$に関連付ける。
• 標準eikonalと強化された散乱効果の両方を用いて、急速性ギャップの生存確率$S^2$を計算し、一部の初期状態を含む。
• CERN-ISRからTevatronまでのデータに合わせてモデルパラメータをチューニングし、LHCエネルギー$√s = 14$ TeVへの外挿を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸収補正、特に多ペロン交換が、高エネルギーにおける全断面積および微分断面積の予測にどのように影響するか。
• RQ2 LHCにおける特異的ヒッグス生成における急速性ギャップの生存確率$S^2$は、強化されたソフト散乱効果によってどのように変化するか。
• RQ3 ペロン成分の$k_t$-依存性は、全断面積や多重度といったソフト観測量の$√s$に伴う増加にどの程度影響を与えるか。
• RQ4 本モデルは、Tevatronにおける観測された特異的生成断面積（$\gamma\gamma$、ジジェット、$\chi_c$）を定量的に再現できるか。
• RQ5 LHCにおける特異的ヒッグス生成の期待される断面積と信号対背景比は何か。また、前方陽子検出器を用いた測定法はどのようなものか。

主な発見

• モデルは、$√s = 14$ TeVにおいて全断面積が約90 mbであると予測し、強いスクリーニングによりソフト成分の増加が弱い。
• 大$k_t$（QCD的）なペロン成分はスクリーニングが弱く、エネルギーに伴い強く増加し、ハード観測量に大きく寄与する。
• 特異的ヒッグス生成における急速性ギャップの生存確率$S^2$は抑制されるが、極端に小さくはならない。LHCにおけるヒッグスボソンのような重い系では数値的に小さい。
• 120 GeVの標準模型ヒッグス粒子に対する特異的ヒッグス生成断面積は、$√s = 14$ TeVで2–3 fbと予測され、信号対背景比はおおよそ1のオーダー。
• 本モデルは、Tevatronにおける特異的$\gamma\gamma$、ジジェット、$\chi_c$生成データをよく再現しており、その妥当性を強く支持する。
• HERAデータへのNLOフィットでは、低$x$領域でグルーオン密度が平坦または減少傾向を示し、LHCではブラックディスク状態に達しないことが示唆され、吸収抑制が軽減される。