[논문 리뷰] First determination of the $ ho $ parameter at $\sqrt{s} = 13$ TeV -- probing the existence of a colourless three-gluon bound state

G. Antchev, P. Aspell외 93명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 5인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 TOTEM 실험을 통해 $ \rho$ 파라미터의 첫 측정을 $ \sqrt{s} = 13$ TeV에서 수행하였으며, 다양한 가정 하에 $ \rho = 0.09 \pm 0.01$ 및 $ \rho = 0.10 \pm 0.01$을 얻었다. 고정밀도 결과는 양성자-양성자 탄성 산란에서 색이 없는 삼구글론 결합 상태 교환을 예측하는 이론 모델을 지지하며, 모든 COMPETE에 분류된 모델을 배제한다. 또한 쿠론 상호작용의 정규화를 통해 $ \sigma_{ \text{tot}} = 110.3 \pm 3.5$ mb의 새로운 독립적인 총 단면적 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The TOTEM experiment at the LHC has performed the first measurement at $\sqrt{s} = 13$ TeV of the $ ho$ parameter, the real to imaginary ratio of the nuclear elastic scattering amplitude at $t=0$, obtaining the following results: $ ho = 0.09 \pm 0.01$ and $ ho = 0.10 \pm 0.01$, depending on different physics assumptions and mathematical modelling. The unprecedented precision of the $ ho$ measurement, combined with the TOTEM total cross-section measurements in an energy range larger than 10 TeV (from 2.76 to 13 TeV), has implied the exclusion of all the models classified and published by COMPETE. The $ ho$ results obtained by TOTEM are compatible with the predictions, from alternative theoretical models both in the Regge-like framework and in the QCD framework, of a colourless 3-gluon bound state exchange in the $t$-channel of the proton-proton elastic scattering. On the contrary, if shown that the 3-gluon bound state $t$-channel exchange is not of importance for the description of elastic scattering, the $ ho$ value determined by TOTEM would represent a first evidence of a slowing down of the total cross-section growth at higher energies. The very low-$|t|$ reach allowed also to determine the absolute normalisation using the Coulomb amplitude for the first time at the LHC and obtain a new total proton-proton cross-section measurement $\sigma_{tot} = 110.3 \pm 3.5$ mb, completely independent from the previous TOTEM determination. Combining the two TOTEM results yields $\sigma_{tot} = 110.5 \pm 2.4$ mb.

연구 동기 및 목표

• 양성자-양성자 탄성 산란에서 $ \sqrt{s} = 13$ TeV에서 $ \rho$ 파라미터를 처음으로 측정하기 위해.
• 산란 진폭의 $t$-채널에서의 교환을 통해 색이 없는 삼구글론 결합 상태 존재 여부를 시험하기 위해.
• 고에너지에서 총 단면적의 성장 행동에 대해 $ \rho$ 결과의 함의를 평가하기 위해.
• LHC에서 처음으로 쿠론 진폭을 사용하여 탄성 산란 단면적의 절대 정규화를 결정하기 위해.
• 총 양성자-양성자 단면적의 새로운 독립 측정을 제공하기 위해.

제안 방법

• LHC에서 TOTEM 실험의 고정밀도 전방 양성자 탐지 기술을 활용하여 $ \sqrt{s} = 13$ TeV에서 탄성 산란를 측정하였다.
• 다양한 이론적 가정과 모델링 접근법을 사용하여 $t=0$에서 핵탄성 산란 진폭의 실수부 대 허수부 비율에서 $ \rho$ 파라미터를 추출하였다.
• 이전 TOTEM의 2.76에서 13 TeV까지의 총 단면적 데이터와 $ \rho$ 측정 결과를 결합하여 모델의 호환성을 시험하였다.
• 쿠론 상호작용 간섭을 적용하여 탄성 단면적의 절대 정규화를 결정하였으며, 이는 새로운 독립적인 $ \sigma_{ \text{tot}}$ 결정을 가능하게 하였다.
• 얻어진 $ \rho$ 값들을 사용하여 레지-유사 및 QCD 기반 이론 모델의 삼구글론 결합 상태에 대한 호환성을 평가하였다.
• 이 새로운 정규화 기반 $ \sigma_{ \text{tot}}$ 결과를 이전 TOTEM 결과와 결합하여 보다 정교한 총 단면적 추정치를 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 $ \rho$ 파라미터가 $ \sqrt{s} = 13$ TeV에서 양성자-양성자 산란의 $t$-채널에서 색이 없는 삼구글론 결합 상태의 존재를 지지하는가?
• RQ2 TOTEM의 $ \rho$ 측정 결과는 삼구글론 교환을 포함하는 레지-유사 및 QCD 기반 이론 프레임워크의 예측과 일치하는가?
• RQ3 측정된 $ \rho$ 값은 COMPETE 연합에서 분류하고 발표한 모든 모델을 배제할 수 있는가?
• RQ4 삼구글론 교환이 주요 기여를 하지 않는다면, 관측된 $ \rho$ 값은 고에너지에서 총 단면적 성장 속도가 느려지는지를 시사하는가?
• RQ5 쿠론 진폭 간섭을 통해 독립적으로 결정된 $ \sqrt{s} = 13$ TeV에서의 탄성 산란 단면적의 절대 정규화는 무엇인가?

주요 결과

• 모델링 가정에 따라 $ \rho$ 파라미터는 $ \rho = 0.09 \pm 0.01$ 및 $ \rho = 0.10 \pm 0.01$로 측정되었으며, 이는 $ \sqrt{s} = 13$ TeV에서의 첫 번째 결정이다.
• 고정밀도 $ \rho$ 결과는 COMPETE 연합에서 분류하고 발표한 모든 모델을 배제한다.
• $ \rho$ 값은 $t$-채널에서 색이 없는 삼구글론 결합 상태 교환을 포함하는 레지-유사 및 QCD 기반 이론 프레임워크의 예측과 호환된다.
• LHC에서 처음으로 쿠론 진폭을 사용하여 탄성 산란 단면적의 절대 정규화를 결정하였으며, $ \sigma_{ \text{tot}} = 110.3 \pm 3.5$ mb의 결과를 도출하였다.
• 이 새로운 결과를 이전 TOTEM 데이터와 결합하여 보다 정교한 총 단면적 $ \sigma_{ \text{tot}} = 110.5 \pm 2.4$ mb를 도출하였다.
• 결과들은 삼구글론 결합 상태 교환이 중요하지 않다면, $ \rho$ 값은 고에너지에서 총 단면적 성장 속도가 느려지는 것을 시사한다.