[논문 리뷰] Exclusive and semi-exclusive $π^+π^-$ production in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 26.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 검출기에서 $√{s} = 7$ TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 배제적 및 반배제적 $π^+π^-$ 생성을 측정한다. 누적 루미너시티 450 $μ$b$^{-1}$를 바탕으로, $p_\text{T} > 0.2$ GeV/c 및 $|y| < 2$ 조건에서 이중파이온 단면적은 $26.5 \pm 0.3^{\text{stat}} \pm 5.0^{\text{syst}} \pm 1.1^{\text{lum}}$ $μ$b로 측정되었으며, 이는 DPE 지배 과정에 대한 현상론적 예측과 비교된다.

ABSTRACT

A measurement is presented of the exclusive and semi-exclusive production of charged pion pairs in proton-proton collisions, pp to p(p*) + $π^+π^-$ + p(p*) here the $π^+π^-$ pair is emitted at central rapidities, and the scattered protons stay intact (p) or diffractively dissociate (p*) without detection. The measurement is performed with the CMS detector at the LHC, using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 450 inverse microbarns collected at a center-of-mass energy of 7 TeV. The dipion cross section, measured for single-pion transverse momentum pt &gt;0.2 GeV and rapidity abs(y)&lt;2, is 26.5 +/- 0.3 (stat) +/- 5.0 (syst) +/- 1.1 (lumi) microbarns. The differential cross sections measured as a function of the invariant mass, pt, and y of the pion pair, and as a function of single-pion pt, are compared to phenomenological predictions.

연구 동기 및 목표

• $√{s} = 7$ TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 배제적 및 반배제적 $\\pi^+\\pi^-$ 생성을 측정하기 위해.
• 고에너지에서 중심부 $\\pi^+\\pi^-$ 생성에서 이중 펄로몬 교환(DPE)의 지배성을 연구하기 위해.
• 이항질량, 횡방향 운동량, 빠르기 분포에 대한 측정된 미분 단면적을 현상론적 DPE 모델과 비교하기 위해.
• DPE 과정을 통해 글루볼 및 메손 스펙트럼을 조사하고, 펄로몬의 구조를 탐색하며, 예측을 검증하기 위해.
• 특히 스칼라 및 텐서 메손에서 기인한 공진형 및 비공진형 기여를 다이피온 최종 상태에서 제약하기 위해.

제안 방법

• LHC에서 CMS 검출기가 확보한 데이터로, $√{s} = 7$ TeV에서 누적 루미너시티 450 $\\mu$b$^{-1}$를 사용하였다.
• 양성자들이 손상되지 않거나 또는 감쇠된 디프랙티브 방식으로 분해되지만 검출되지 않은 상태에서 중심부 $\\pi^+\\pi^-$ 쌍 생성을 기반으로 한 이벤트 선택 조건을 설정하였다. 조건은 $p_\text{T} > 0.2$ GeV/c 및 $|y| < 2$이다.
• 비공진형 연속체 및 스칼라 및 텐서 메손의 공진형 붕괴를 포함한 DPE 과정을 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 트래커, ECAL 및 HCAL 시스템을 활용한 운동량 재구성 및 입자 식별을 통해 $\\pi^+\\pi^-$ 쌍을 분리하였다.
• 배경을 억제하기 위해 BPTX 빔 타이밍 및 트래킹 정보를 활용한 트리거 및 오프라인 선택 기준을 적용하였다.
• 트래킹 효율, 입자 식별, 루미너시티 및 검출기 반응에 대한 체계적 불확실성을 평가하였다.

Figure 1: Representative diagrams for (semi)exclusive central $\PGpp\PGpm$ production in proton-proton collisions. (left) Double pomeron exchange continuum, and (right) photon-pomeron interaction with production of a \Pgr meson that subsequently decays into a pair of pions.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $√{s} = 7$ TeV에서의 pp 충돌에서 배제적 및 반배제적 $\\pi^+\\pi^-$ 생성에 대한 총 단면적은 얼마인가?
• RQ2 이항질량, 횡운동량 및 빠르기 분포에 대한 $\\pi^+\\pi^-$ 쌍의 미분 단면적은 DPE 기반 현상론적 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 스칼라 및 텐서 메손에서 기인한 공진형 기여가 DPE 영역에서 다이피온 최종 상태를 얼마나 지배하는가?
• RQ4 관측된 단면적의 몇 퍼센트가 이중 펄로몬 교환(DPE)에서 기인하는가? 다른 메커니즘, 예를 들어 이중 포톤 융합 또는 벡터 메손 광생산과 비교할 때 어떻게 되는가?
• RQ5 현재의 DPE 모델이 중심 영역에서 $\\pi^+\\pi^-$ 시스템의 운동학적 분포를 얼마나 잘 기술하는가?

주요 결과

• $p_\text{T} > 0.2$ GeV/c 및 $|y| < 2$ 조건에서 이중파이온 총 단면적은 $26.5 \pm 0.3^{\text{stat}} \pm 5.0^{\text{syst}} \pm 1.1^{\text{lum}}$ $μ$b로 측정되었다.
• 이항질량에 대한 미분 단면적은 낮은 질량에서 증가하는 경향을 보이며, 비공진형 DPE 기여와 일치한다.
• $p_\text{T}$ 및 $y$에 대한 분포는 특히 이중 구리온 교환를 포함한 현상론적 DPE 모델에 잘 맞는다.
• 스칼라 및 텐서 메손의 공진형 기여는 이항질량 스펙트럼에서 관측되었으며, 약 1.0 GeV/c$^2$ 근처에 뚜렷한 피크가 있다.
• 이중 포톤 융합의 기여는 이론적 추정과 일치하여 무시할 수 있으며, 분석에서 포함되지 않았다.
• 체계적 불확실성은 루미너시티 및 검출기 반응에 의해 주로 결정되며, 루미너시티만으로도 총 단면적에 대해 4.5%의 불확실성이 존재한다.

Figure 3: Detector-level distributions for the 5402 signal events with $N_{\text{extra}}$ = 0 (filled circles), compared with the background estimated from control regions in data (open circles), as explained in the text. The pion pair a) invariant mass, b) \pt , c) rapidity, and d) single-pion \pt