[論文レビュー] Measurement of the total cross section and $ ho $-parameter from elastic scattering in pp collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2963 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器とALFAローマンポットを用いて収集した340 μb⁻¹のデータを用い、√s = 13 TeVにおける完全弾性散乱から全プロトン-プロトン断面積およびρパラメータの高精度測定を提示する。|t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²まで測定を拡張することで、クーロン-核子干渉に感度をもたせ、σtot = 104.7 ± 1.1 mbおよびρ = 0.098 ± 0.011の結果が得られた。光度およびアライメントの不確実性が主な誤差要因である。

ABSTRACT

In a special run of the LHC with $β^\star = 2.5~$km, proton-proton elastic-scattering events were recorded at $\sqrt{s} = 13~$TeV with an integrated luminosity of $340~μ extrm{b}^{-1}$ using the ALFA subdetector of ATLAS in 2016. The elastic cross section was measured differentially in the Mandelstam $t$ variable in the range from $-t = 2.5 \cdot 10^{-4}~$GeV$^{2}$ to $-t = 0.46~$GeV$^{2}$ using 6.9 million elastic-scattering candidates. This paper presents measurements of the total cross section $σ_{ extrm{tot}}$, parameters of the nuclear slope, and the $ρ$-parameter defined as the ratio of the real part to the imaginary part of the elastic-scattering amplitude in the limit $t ightarrow 0$. These parameters are determined from a fit to the differential elastic cross section using the optical theorem and different parameterizations of the $t$-dependence. The results for $σ_{ extrm{tot}}$ and $ρ$ are \begin{equation*} σ_{ extrm{tot}}(pp ightarrow X) = \mbox{104.7} \pm 1.1 \; \mbox{mb} , \; \; \; ρ= \mbox{0.098} \pm 0.011 . \end{equation*} The uncertainty in $σ_{ extrm{tot}}$ is dominated by the luminosity measurement, and in $ρ$ by imperfect knowledge of the detector alignment and by modelling of the nuclear amplitude.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるpp弾性散乱の全ハドロン断面積σtotおよびρパラメータを測定すること。
• 四運動量移転|t|を2.5 × 10⁻⁴ GeV²まで低減することで、完全弾性散乱測定の範囲を拡大し、クーロン-核子干渉にアクセスすること。
• 光学定理を用い、適切なアンフォールディングおよび光度校正を施したdσ_el/dtのフィットを通じてσtotおよびρを決定すること。
• データ駆動型のアライメント補正と高精度な光度決定を用いることで、システムティック不確実性を低減すること。

提案手法

• 小さなビーム発散角を実現するため、β* = 2.5 kmの特別なLHCランを用い、微小な角度で散乱する陽子を検出可能にする。
• 完全弾性散乱イベントは、ビームパイプ付近で非常に小さな角度で散乱する陽子を測定するALFAサブ検出器を用いて再構築される。
• 690万件の選別済みイベントを用い、|t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²から0.46 GeV²までの38のビンにわたり、dσ_el/dtの微分断面積が測定された。
• 全断面積σtotは、光学定理を用い、微分断面積の前方極限が散乱振幅の虚部と関係することを利用して抽出された。
• ρパラメータは、散乱振幅の実部および虚部を含むパラメータ化を用いてdσ_el/dt分布にフィットすることで抽出された。
• システムティック不確実性は、安定性のチェック、データ駆動型のアライメント補正、および1.1%の精度で校正された光度測定を通じて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける全プロトン-プロトン断面積の値は何か？ また、完全弾性散乱を用いてどの程度の精度で測定可能か？
• RQ2 √s = 13 TeVにおけるρパラメータの値は何か？ また、σtotの対数的上昇モデルの予想と比較するとどうなるか？
• RQ3 検出器のアライメントおよび光度の不確実性は、非常に小さい|t|領域におけるσtotおよびρ測定の精度にどのように影響するか？
• RQ4 非常に小さい|t|における測定された微分断面積は、どの程度クーロン-核子干渉効果を反映しているか？
• RQ5 σtotおよびρの結果は、低エネルギー中心系質量領域での過去の測定と比較して、エネルギーに伴いどのように変化するか？

主な発見

• √s = 13 TeVにおけるpp完全弾性散乱の全断面積はσtot = 104.7 ± 1.1 mbと測定され、不確実性の主な要因は光度校正であった。
• ρパラメータはρ = 0.098 ± 0.011と決定され、主な不確実性は検出器アライメントおよび核子振幅のモデル化に起因した。
• 微分断面積は|t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²まで測定され、前回のランと比較して|t|の範囲が1桁拡大された。
• 測定されたdσ_el/dt分布は、非常に小さな|t|で明確に上昇しており、クーロン-核子干渉と整合的であることが示され、ρの高精度抽出が可能になった。
• 本分析は、ローマンポット検出器とデータ駆動型アライメント技術を用いたLHCにおける高精度な完全弾性散乱測定の可能性を示した。
• 結果は、過去の実験で観測されたσtotおよびρのエネルギー依存性と整合的であるが、LHCで最高エネルギーとなった現在のエネルギー領域で、より高い精度で得られた。