[論文レビュー] Measurement of energy flow, cross section and average inelasticity of forward neutrons produced in $\mathrm{\sqrt{s} = 13 TeV}$ proton-proton collisions with the LHCf Arm2 detector

O. Adriani, E. Berti+21 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのLHCf Arm2検出器を用いて、13 TeVプロトン-プロトン衝突におけるフォワード中性子の包含的微分生成断面積、エネルギーフロー、および平均非弾性度の初回測定を報告する。0.194 nb⁻¹の統合レートで収集されたデータは、主なハドロン相互作用モデル（QGSJET II-04、SIBYLL 2.3、EPOS-LHC）と実験結果との間に顕著な乖離を示しており、特に最もフォワードな準位乱れ領域（η > 10.75）では、いかなるモデルもデータを再現できない。一方、EPOS-LHCはややフォワードでない領域では全体的に最も良好な一致を示している。

ABSTRACT

In this paper, we report the measurement of the energy flow, the cross section and the average inelasticity of forward neutrons (+ antineutrons) produced in $\sqrt{s} = 13$ TeV proton-proton collisions. These quantities are obtained from the inclusive differential production cross section, measured using the LHCf Arm2 detector at the CERN Large Hadron Collider. The measurements are performed in six pseudorapidity regions: three of them ($\eta > 10.75$, $8.99 < \eta < 9.21$ and $8.80 < \eta < 8.99$), albeit with smaller acceptance and larger uncertainties, were already published in a previous work, whereas the remaining three ($10.06 < \eta < 10.75$, $9.65 < \eta < 10.06$ and $8.65 < \eta < 8.80$) are presented here for the first time. The analysis was carried out using a data set acquired in June 2015 with a corresponding integrated luminosity of $\mathrm{0.194~nb^{-1}}$. Comparing the experimental measurements with the expectations of several hadronic interaction models used to simulate cosmic ray air showers, none of these generators resulted to have a satisfactory agreement in all the phase space selected for the analysis. The inclusive differential production cross section for $\eta > 10.75$ is not reproduced by any model, whereas the results still indicate a significant but less serious deviation at lower pseudorapidities. Depending on the pseudorapidity region, the generators showing the best overall agreement with data are either SIBYLL 2.3 or EPOS-LHC. Furthermore, apart from the most forward region, the derived energy flow and cross section distributions are best reproduced by EPOS-LHC. Finally, even if none of the models describe the elasticity distribution in a satisfactory way, the extracted average inelasticity is consistent with the QGSJET II-04 value, while most of the other generators give values that lie just outside the experimental uncertainties.

研究の動機と目的

• CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における13 TeVプロトン-プロトン衝突におけるフォワード中性子の包含的微分生成断面積を測定すること。
• 広範囲の空気シャワーのシミュレーションを改善するために、フォワード中性子のエネルギーフローと平均非弾性度を特定すること。
• 主なハドロン相互作用モデル（QGSJET II-04、SIBYLL 2.3、EPOS-LHC）の性能を、高精度なフォワード中性子データと照らし合わせて評価すること。
• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）の質量組成測定における系統的不確実性を低減するために、空気シャワーのシミュレーションの正確なキャリブレーションデータを提供すること。
• 宇宙線空気シャワーのシミュレーションに用いられるハドロン相互作用モデルに対する、高エネルギー領域のキャリブレーションデータの不足を解消すること。

提案手法

• CERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）に設置されたLHCf Arm2検出器を用い、13 TeV p-p衝突におけるフォワード中性粒子を測定した。
• 2015年6月に収集された、0.194 nb⁻¹の統合レートを持つデータセットを分析した。
• 3つの未発表の領域（10.06 < η < 10.75、9.65 < η < 10.06、8.65 < η < 8.80）を含む6つの準位乱れ領域における包含的微分生成断面積を測定した。
• 運動量再構築とアンフォールディング技術を用いて、測定された断面積からエネルギーフローと平均非弾性度を抽出した。
• QGSJET II-04、SIBYLL 2.3、EPOS-LHC、およびQGSJET II-03の4つのハドロン相互作用モデルの予測と結果を比較した。
• 統計的不確実性と系統的不確実性を二次的に組み合わせ、各断面積ビンの上限および下限の不確実性を報告した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のハドロン相互作用モデルは、13 TeV p-p衝突におけるフォワード中性子の包含的微分生成断面積をどの程度再現できるか？
• RQ2 最もフォワードな準位乱れ領域（η > 10.75）におけるフォワード中性子のエネルギーフローと平均非弾性度は、測定でどのようになるか？
• RQ3 全準位乱れ領域にわたる測定された中性子断面積と最も良好に一致するハドロン相互作用モデルはどれか？
• RQ4 測定された中性子エネルギー分布および非弾性度の値は、高エネルギーハドロン衝突におけるフォワードバリオン生成に関する現在の理解をどの程度揺るがすか？
• RQ5 モデルとデータとの乖離は、UHECR実験で用いられる宇宙線空気シャワーのシミュレーションの信頼性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 最もフォワード領域（η > 10.75）におけるフォワード中性子の包含的微分生成断面積は、テストされたいかなるハドロン相互作用モデルでも再現できない。これは、この運動量領域における現在のシミュレーションの重大な失敗を示している。
• ややフォワードでない領域（8.65 < η < 8.80 ～ 10.06 < η < 10.75）では、EPOS-LHCが測定断面積と全体的に最も良好な一致を示しており、特にエネルギーフロー分布で顕著である。
• SIBYLL 2.3は8.80 < η < 8.99領域で最も良い一致を示すが、EPOS-LHCは8.99 < η < 9.21および10.06 < η < 10.75領域で最良の一致を示す。
• フォワード中性子の平均非弾性度は、QGSJET II-04の予測と一貫しており、他のほとんどのモデルは実験的不確実性の範囲内で過剰または不足予測をしている。
• 8.65 < η < 8.80および8.80 < η < 8.99領域におけるエネルギーフローと断面積分布は、EPOS-LHCの予測とSIBYLL 2.3やQGSJET II-04の予測と比較して、より良好な一致を示している。
• 10.75 < η < 11.00領域では、すべてのモデルが断面積を正しく記述できていない顕著な乖離が観測された。これは、高エネルギーp-p衝突におけるフォワードバリオン生成のモデリングを改善する必要があることを示唆している。