[論文レビュー] Measurement of the proton-proton total, elastic, inelastic and diffractive cross sections at 2, 7, 8 and 57 TeV

N. Cartiglia|arXiv (Cornell University)|May 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ALICE、ATLAS、CMS、TOTEM実験からのデータを用いて、2、7、8、および57 TeVの中心系エネルギーにおける陽子-陽子全断面積、弾性断面積、非弾性断面積、および微分断面積について包括的な分析を提示する。全断面積がln²(s)に従ってエネルギーに伴い増加することを確認し、二ポンプロンモデルを支持するとともに、截距Δ ≈ 0.08を示すポンプロン交換が支配的であるソフトQCD過程の寄与が顕著であることを示している。

ABSTRACT

The measurement of the total $pp$ cross section and its various sub-components (elastic, inelastic and diffractive) is a very powerful tool to understand the proton macro structure and fundamental QCD dynamics. In this contribution I first provide a theoretical introduction to the topic, then a summary of the experimental techniques and finally I review the new results from AUGER and LHC experiments.

研究の動機と目的

• 複数のLHCエネルギーにおける全断面積、弾性断面積、非弾性断面積、および微分断面積の陽子-陽子断面積を測定すること。
• 高エネルギーpp散乱データを用いて、レッジ理論およびポンプロン交換を含むソフトQCDダイナミクスの理論的モデルを検証すること。
• 新しいLHCデータおよび宇宙線測定を統合することで、全断面積の外挿に関する矛盾を解消すること。
• 特に低質量最終状態に関して、モンテカルロイベントジェネレータの実験結果との整合性を評価すること。

提案手法

• 全断面積および非弾性断面積の経験的パラメータ化に、s⁻⁰.⁵およびln²(s)項を含む二ポンプロンモデルを用いる。
• 高エネルギー散乱を記述するためのレッジ理論の適用に、截距Δ = 1 + Δおよび勾配α′を有するポンプロン交換に焦点を当てる。
• フォワード陽子タギング（TOTEM）、高多重度トラッキング（ALICE）、および微分イベント再構成（CMS）を用いた検出器データからの断面積抽出。
• GLM、ダーハム、COMPETEなどの理論モデルと、エネルギー依存データに対するχ²フィットを用いた実験結果との比較。
• 全断面積をフォワード散乱振幅の虚部と関連付けるための光学定理の使用。
• 測定されたM_X分布を用いて、単一および二重微分断面積を√s = 14 TeVに外挿すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2から57 TeVの中心系エネルギーにわたる全陽子-陽子断面積の変化はどのように進行するか。これはソフトQCDダイナミクスに何を示唆するか？
• RQ2 現在の理論的モデル、特に二ポンプロンモデルは、LHCエネルギーにおける測定された全断面積および非弾性断面積をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 微分断面積の全断面積への寄与は何か。また、√s = 14 TeVにおける実験結果とモデル予測はどのように一致するか？
• RQ4 一部のモンテカルロイベントジェネレータが測定された低質量最終状態の生成断面積を再現できないのはなぜか。これはそれらのモデルの前提に何を示唆するか？
• RQ5 異なるモデルにおけるポンプロン截距Δおよび勾配α′の値はどのように変化するか。これらはポンプロンの性質をどのように明らかにするか？

主な発見

• 二ポンプロンモデルのもとで、√s = 14 TeVにおける全陽子-陽子断面積は120–160 mbと予測され、ln²(s)エネルギー依存性と整合的である。
• ポンプロン軌道の截距はΔ ≈ 0.08と求められ、最良のフィットモデルではアプローチに応じてα′ ≈ 0.028–0.22の範囲を示す。
• √s = 14 TeVにおける単一微分断面積σ_SD(pp)は、GLM1では10.8 mb（Durham 11では18.8 mb）の間と予測され、CMSおよびTOTEMの外挿では約9–11 mbとなる。
• √s = 14 TeVにおける二重微分断面積σ_DD(pp)は、Ostでは4.8 mbからDurham 11では17.6–18.8 mbの範囲に及び、モデル依存性が顕著である。
• 1.8 TeVにおけるCDFのσ(p̄p)_Tot = 80.0 ± 2.2 mbの測定値は、更新された二ポンプロンフィットを支持するものであり、以前の値よりも信頼性が高いと見なされる。
• 一般的なモンテカルロモデルは低質量最終状態を低く見積もっており、ソフトQCDおよび微分過程の取り扱いの見直しが必要であることを示唆している。