[論文レビュー] Total, inelastic and (quasi-)elastic cross sections of high energy pA and gamma-A reactions with the dipole formalism

Gösta Gustafson, Leif Lönnblad+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、BFKL力学、サチュレーション、色干渉を組み込んだDIPSYドライブルモデルを用いて、高エネルギーpAおよびγ⋆A散乱における全断面積、非弾性断面積、および（準）弾性断面積を計算している。pA断面積は核の面積にほぼ比例して増加するが、γ⋆A断面積はAに対してより線形に増加し、色干渉効果によりγ⋆Au断面積が約10%低下することが示された。これは、今後の電子-イオン衝突型加速器が初期状態のダイナミクスを調べる上で極めて価値があることを示している。

ABSTRACT

In order to understand the initial partonic state in proton-nucleus and electron-nucleus collisions, we investigate the total, inelastic, and (quasi-)elastic cross sections in pA and gamma-A collisions, as these observables are insensitive to possible collective effects in the final state interactions. We used as a tool the DIPSY dipole model, which is based on BFKL dynamics including non-leading effects, saturation, and colour interference, which we have extended to describe collisions of protons and virtual photons with nuclei. We present results for collisions with O, Cu, and Pb nuclei, and reproduce preliminary data on the pPb inelastic cross section at LHC by CMS and LHCb. The large NN cross section results in pA scattering that scales approximately with the area. The results are compared with conventional Glauber model calculations, and we note that the more subtle dynamical effects are more easily studied in the ratios between the total, inelastic and (quasi-)elastic cross sections. The smaller photon interaction makes the gamma-A collisions more closely proportional to A, and we see here that future electron-ion colliders would be valuable complements to the pA collisions in studies of dynamical effects from correlations, coherence and fluctuations in the initial state in high energy nuclear collisions.

研究の動機と目的

• 高エネルギーpAおよびγ⋆A衝突における初期状態のパートオン的構成を、最終状態の集団的性質とは独立して理解すること。
• サチュレーション、色干渉、フラクチュエーションが全断面積、非弾性断面積、および（準）弾性断面積に与える影響を調査すること。
• DIPSYモデルの結果を従来のグローバー・モデルの計算と比較し、動的効果を分離すること。
• 電子-イオン衝突型加速器が初期状態の相関および干渉効果を調べる上で果たす可能性を評価すること。
• DIPSYドライブルモデルを核標的に拡張し、LHCのpPbデータと照合すること。

提案手法

• BFKL力学に非主要補正、サチュレーション、色干渉を組み込んだDIPSYドライブルモデルを、pAおよびγ⋆A衝突の記述に拡張した。
• モデルは、入射粒子が色ドライブル状態にフラクチュエートし、標的核と相互作用するというドライブル像に基づいて断面積を計算する。
• グッド＝ウォーカー形式を用いて、入射粒子および標的の固有状態分解を介して弾性励起および準弾性過程を記述した。
• 断面積は衝突パラメータの関数として計算され、多重散乱の指数的総和によりユニタリティが保証された。
• 全断面積、非弾性断面積、および（準）弾性断面積の比を用いて、干渉やフラクチュエーションのような微細な動的効果を分離した。
• 部分的相関や干渉による差を強調するために、DIPSYモデルの予測とグローバー・モデルの予測を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pAおよびγ⋆A衝突における全断面積、非弾性断面積、および（準）弾性断面積は、核サイズAおよび仮想性Q²とともにどのようにスケーリングするか？
• RQ2 異なる核内のパートオン間の色干渉効果が、γ⋆A断面積をどの程度抑制するか？
• RQ3 DIPSYモデルによるpPb非弾性断面積の予測は、CMSおよびLHCbのLHCの予備データとどの程度一致するか？
• RQ4 断面積の比は、個々の断面積よりもどのようにして動的効果を明確に露わにするか？
• RQ5 サチュレーションと干渉効果のどちらが、pAおよびγ⋆A断面積のスケーリング行動を決定づける上で相対的に重要か？

主な発見

• pA断面積は核の面積（R_A + R_p）²にほぼ比例しており、高エネルギー衝突における黒い中心領域を示している。
• γ⋆A断面積はAに対してほぼ線形に増加するが、低Q²および大きなAでは色干渉が強化され、Aスケーリングからのずれが顕著になる。
• 異なる核内のグルーオン間の色干渉がγ⋆Au断面積を約10%低下させ、これは精密測定でのみ検出可能な非自明な量子効果である。
• DIPSYモデルは、LHCのpPb非弾性断面積の予備データをうまく再現しており、初期状態ダイナミクスの記述の妥当性を裏付けている。
• 全断面積、非弾性断面積、および（準）弾性断面積の比は、個々の断面積よりもフラクチュエーションや干渉のような動的効果に敏感である。
• モデルは、今後の電子-イオン衝突型加速器が、高エネルギー核衝突における初期状態の相関および量子干渉をより優れたプローブとして提供できると示唆している。