[논문 리뷰] Diffraction, forward physics and soft QCD results from CMS

R. Ciesielski|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 7 및 8 TeV 중심질량 에너지에서의 소프트 하드론-하드론 상호작용에 대한 최근 CMS 측정 결과를 제시하며, 비탄성분열, 전방 물리학, 이중 파트온 산란을 중심으로 다룬다. 낮은 피크업률을 가진 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여 포함형 단일 및 이중 비탄성분열 단면적, 위상도 분포, 주도 입자 및 제트 단면적, 이중 파트온 산란을 위한 유효 단면적을 측정하였으며, 표준 몬테카를로 모델이 데이터를 완전히 기술하지 못함을 발견하였고, 특히 이중 파트온 산란가로 인한 영역에서는 Pythia8과 같은 이벤트 생성기의 새로운 캘리브레이션 필요성이 제기된다.

ABSTRACT

We report on the recent CMS measurements of soft hadron-hadron production, including the measurements of inclusive single- and double-diffractive cross sections, as well as the measurement of pseudorapidity distributions, and of the leading charged particle and leading jet cross sections. We present the cross sections for low-pT forward jets production, and production of dijets with large rapidity separation (central-forward, and forward-backward jets). Studies of double parton scattering using four-jet and W+2-jet events, and the cross sections for Drell-Yan with associated jet production are discussed as well. The results, corresponding to the proton-proton center-of-mass energy of 7 or 8 TeV, are compared to predictions of various Monte Carlo models.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 소프트 하드론-하드론 상호작용을 이해하는 데 기여하기 위해 포함형 단일 및 이중 비탄성분열 단면적을 측정한다.
• 위상도 및 횡방향 운동량 분포를 이용해 고다양성 이벤트에서 주도된 충전 입자 및 제트의 역학을 연구한다.
• 네 제트 및 W+2제트 최종 상태를 통해 이중 파트온 산란(DPS)을 탐색하고, 유효 DPS 단면적을 추출한다.
• Drell-Yan 및 관련 제트 생성을 통해 소프트 QCD 영역에서 양자장론적 및 비양자장론적 모델의 타당성을 시험한다.
• Pythia, Herwig++, EPOS, QGSJet-II-04와의 예측과 데이터를 비교하여 몬테카를로 이벤트 생성기의 캘리브레이션과 제약을 둔다.

제안 방법

• 비탄성분열 이벤트는 CMS 검출기에서 큰 위상도 간극(LRGs)을 이용해 선별되었으며, 전방 LRGs는 -6.6 < η < -5.2 영역의 CASTOR 칼로미터를 통해 식별되었다.
• 배경 제거를 적용하여 단일 및 이중 비탄성분열 기여를 분리하기 위해 ξ(양성자 운동량 손실) 및 Δη(중앙 간극 너비)에 대한 미분 단면적을 측정하였다.
• 비단일비탄성분열(NSD-) 및 단일비탄성분열(SD-) 강화 샘플로 분류된 이벤트를 바탕으로, 비표준 LHC 광학(β* = 90 m)을 사용한 CMS 및 TOTEM 데이터의 조합을 통해 충전 입자의 위상도 분포를 추출하였다.
• 주도 충전 입자 및 제트 단면적은 각각 |η| < 2.4 및 |η| < 1.9 범위에서 적분하고, 횡방향 운동량 임계값(pT,min)에 따라 측정되었다.
• 이중 파트온 산란는 네 제트 및 W+2제트 최종 상태를 통해 연구되었으며, Δrel pT 및 ΔS와 같은 운동량 변수를 사용하여 템플릿 피팅을 통해 DPS와 단일 파트온 산란(SPS)을 분리하였다.
• Drell-Yan 단면적은 이중 뮤온 횡운동량(pT^μμ)에 대해 미분적으로 측정되었으며, 초기 상태 파트온 샤워를 포함한 MadGraph+Pythia6 시뮬레이션과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7–8 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 현재의 몬테카를로 모델이 단일 및 이중 비탄성분열 과정의 미분 단면적을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ2 네 제트 및 W+2제트 최종 상태에서의 이중 파트온 산란의 유효 단면적(σeff)은 얼마이며, 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기본 이벤트 생성기가 비단일비탄성분열 및 단일비탄성분열 강화 샘플에서 충전 입자의 위상도 분포를 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ4 초기 상태 파트온 샤워는 Drell-Yan 과정과 관련된 제트 생성에서 소프트 글루온 재결합을 기술하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 데이터는 이중 파트온 산란가로 인한 영역에서 몬테카를로 튜닝의 파rameter를 제약할 수 있는가?

주요 결과

• ξ에 따른 측정된 단일비탄성분열 단면적은 ε = 0.08인 Pythia8-MBR로 가장 잘 기술되며, Pythia8-4c 및 Pythia6는 낙하하는 경향을 재현하지 못한다.
• Δη에 따른 이중비탄성분열 단면적은 특히 위상도에서 3 단위 이상의 간극 너비를 가진 경우 몬테카를로 예측과 합리적인 일치를 보인다.
• 네 제트 이벤트에서 유효 DPS 단면적은 σeff = 21.3+1.2−1.6 mb로 측정되었으며, 기본 Pythia8-4c 튜닝 값인 30.3 mb보다 유의미하게 낮아, 새로운 캘리브레이션의 필요성을 시사한다.
• W+2제트 이벤트에서는 DPS 비율이 fDPS = 0.055 ± 0.002 (통계) ± 0.014 (계측)로 측정되었으며, σeff = 20.7 ± 0.8 (통계) ± 6.6 (계측) mb로 도출되었으며, ATLAS 및 Tevatron 결과와 일치한다.
• 포괄적 Drell-Yan 생성에서 이중 뮤온 pT^μμ 스펙트럼은 소프트 글루온 재결합으로 인해 저운동량 영역에서 상승하는 경향을 보이며, 초기 상태 파트온 샤워를 포함한 시뮬레이션으로 잘 기술된다.
• 표준 몬테카를로 모델은 NSD- 및 SD-강화 샘플에서 충전 입자의 위상도 분포를 일관되게 기술하지 못하며, 현재 비양자장론적 모델링의 한계를 드러낸다.