[논문 리뷰] Diffraction, Saturation and pp Cross Sections at the LHC

K. Goulianos|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 총 단면적 및 비탄성 프로톤-프로톤 단면적을 예측하기 위해 포화 및 유니타리성 조건을 기반으로 한 현상학적 모델을 제안한다. 실험적으로 결정된 매개변수 $s_F = 22$ GeV와 $s_o$를 사용한 포화된 프로이사르 한계를 적용하여, 모델은 $√{s} = 7$ TeV에서 $̺_{̄̄̄} = 71 \pm 6$ mb를 예측한다. 이는 ATLAS 및 CMS 측정치와 뛰어난 일치를 보이며, LHC에서의 다이프랙티브 과정에 대한 견고한 시뮬레이션 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Results from the large hadron collider (LHC) show that no available Monte Carlo simulation incorporates our pre-LHC knowledge of soft and hard diffraction in a way that could be reliably extrapolated to LHC energies. As a simulation is needed to establish triggers, perform underlying event corrections and calculate acceptances, the lack of a robust simulation affects all measurements at the LHC. Particularly affected are the measurements of processes with large diffractive rapidity gaps, which constitute about one quarter of the inelastic cross section. In this paper, a previously described phenomenological model based on a saturation effect observed in single diffraction dissociation in pre-LHC data, validated by its successful application to several diffractive processes, is used to predict the total and total-inelastic proton-proton cross sections at the LHC. The prediction for the total-inelastic cross section at a center of mass collision energy of 7 TeV is compared with recent results from ATLAS and CMS.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 다이프랙티브 과정에 대한 신뢰할 수 있는 몬테카를로 시뮬레이션의 부족이 트리거 설정, 언더라이닝 이벤트 보정 및 수용율 계산에 영향을 미치는 문제를 해결하기 위해.
• 사전 LHC 단일 다이프랙션 데이터에서 관측된 포화 효과를 포함한 현상학적으로 기반을 둔, 유니타리화된 모델을 제공하기 위해.
• 실험적으로 결정된 매개변수를 사용한 포화된 프로이사르 한계를 적용하여 LHC 에너지에서의 총 및 비탄성 $pp$ 단면적을 예측하기 위해.
• 특히 $√{s} = 7$ TeV에서 ATLAS 및 CMS의 $̺_{̄̄̄}$ 측정치와의 비교를 통해 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 모델은 포화된 프로이사르 한계를 사용하며, $̺_t \sim \ln^2(s/s_F)$ 형태를 취한다. 여기서 $s_F = 22$ GeV는 사전 LHC 데이터로부터 결정된 포화 스케일이다.
• 계수 $C = \pi / s_o$는 페온 질량 스케일에서 유도되며, $s_o$는 단일 다이프랙션 데이터에 대한 실험적 피팅을 통해 결정된다.
• 총 단면적은 $\sigma_t^{\text{LHC}} = \sigma_t^{\text{CDF}} + \frac{\pi}{s_o} \left[ \left(\ln \frac{s^{\text{LHC}}}{s_F} \right)^2 - \left(\ln \frac{s^{\text{CDF}}}{s_F} \right)^2 \right]$ 식을 통해 계산된다.
• 탄성 및 비탄성 단면적은 기존 데이터에 대한 글로벌 피팅에서 유도된 비율 $R_{\text{el/t}} = \sigma_{\text{el}} / \sigma_t$ 를 사용하여 유도된다.
• 모델은 레지에 이론이나 복잡한 유니타리화 기법에 의존하지 않고, 직접적으로 포화 효과를 진폭 구조에 통합함으로써 간소화된다.
• 모델은 $√{s} = 7$ TeV에서 ATLAS 및 CMS의 $̺_{̄̄̄}$ 측정치와의 비교를 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 몬테카를로 시뮬레이션에 의존하지 않고도, 포화 기반 현상학적 모델이 LHC 에너지에서 총 및 비탄성 $pp$ 단면적을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ2 포화된 프로이사르 한계에 $s_F = 22$ GeV를 포함함으로써, 레지에 기반 모델에 비해 다이프랙티브 과정의 기술이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 모델이 $√{s} = 7$ TeV에서 $̺_{̄̄̄}$에 대해 예측한 결과가 ATLAS 및 CMS 측정치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 유니타리성과 포화 효과가 고에너지에서 $̺_t$, $̺_{\text{el}}$, $̺_{\text{inel}}$ 의 $s$-의존성에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 모델은 $√{s} = 7$ TeV에서 $̺_{̄̄̄} = 71 \pm 6$ mb를 예측하며, 이는 ATLAS 결과인 $69.4 \pm 2.4$ (exp.) $\pm 6.9$ (extr.) mb와 일치한다.
• 8 TeV에서 $̺_{̄̄̄}$에 대한 예측은 $72 \pm 6$ mb이며, 14 TeV에서는 $76 \pm 8$ mb이다.
• 14 TeV에서 총 단면적은 $109 \pm 12$ mb로 예측되며, 다른 이론적 예측의 범위 내에 들어간다.
• 7 TeV에서 모델의 $̺_{̄̄̄}$ 예측은 CMS 결과인 $66.8 \leq \sigma_{\text{t}}^{\text{inel}} \leq 74.8$ mb와 양호한 일치를 보인다.
• 14 TeV에서 모델의 $̺_t$ 예측은 글로벌 피팅 값인 $114 \pm 5$ mb와 일치한다.
• 모델은 추가 조정 없이도 두 개의 실험적으로 결정된 매개변수인 $s_F = 22$ GeV와 $s_o$를 초과하여 포화 효과와 유니타리성 조건을 성공적으로 통합한다.