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

TOTEM Collaboration, G. Antchev외 94명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 46

한 줄 요약

TOTEM 협력은 13 TeV에서 ρ 매개변수를 전례 없는 정밀도로 측정하고, 색이 없는 3-글루온 결합 상태를 포함한 모델을 시험하며, 쿨롱 정규화를 통한 새로운 총 단면 σ_tot를 결정하고 COMPETE 모델을 제외한다.

ABSTRACT

The TOTEM experiment at the LHC has performed the first measurement at $\sqrt{s} = 13$ TeV of the $ρ$ parameter, the real to imaginary ratio of the nuclear elastic scattering amplitude at $t=0$, obtaining the following results: $ρ= 0.09 \pm 0.01$ and $ρ= 0.10 \pm 0.01$, depending on different physics assumptions and mathematical modelling. The unprecedented precision of the $ρ$ 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 $ρ$ 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 $ρ$ 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 $σ_{tot} = 110.3 \pm 3.5$ mb, completely independent from the previous TOTEM determination. Combining the two TOTEM results yields $σ_{tot} = 110.5 \pm 2.4$ mb.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 전달 하드론 진폭의 실수/허수 비 ρ를 동인을 밝히고 t-채널에서 색이 없는 3-글루온 교환의 가능성을 조사한다.
• 쿨롄-핵 간섭을 이용한 절대 정규화를 통해 13 TeV에서 총 양성자-양성자 단면 σ_tot을 측정한다.
• 새로운 ρ 값이 하이에너지 탄성 산란에서 phenomenological 모델과 COMPETE 예측에 어떤 제약을 주는지 평가한다.

제안 방법

• β* = 2500 m 광학에서 Roman Pots를 갖춘 TOTEM 전방 프로톤 분광기를 사용하여 매우 낮은 |t| 및 Coulomb-nuclear interference(CNI)에 접근한다.
• 두 팔(2RP) 혹은 네 팔(4RP) 분석에서 양성자 운동학을 재구성하여 |t|가 약 8×10^-4 GeV^2까지의 dσ/dt를 추출한다.
• 배경, 수용도, 비효율성에 대한 보정과 함께 차등 단면을 얻기 위해 정렬, 광학 보정, 해상도 펼치기를 신중히 수행한다.
• Coulomb 및 핵 진폭을 포함한 앞부분 영역의 dσ/dt를 이용해 ρ를 추출하고 Coulomb 정규화를 통해 σ_tot를 결정한다.
• 데이터를 충전(퍼짐)과 대각 구성으로 구분한 뒤 제어된 체계적 불확실성으로 통계적으로 결합한다.
• Regge 유사 및 QCD 프레임워크의 모델과의 비교를 제시하고 Odderon 유사 교환 및 단면 증가에 대한 함의를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 ρ 매개변수는 무엇이며, Pommeron-단독 예측 및 대안 모델과의 비교는 어떠한가?
• RQ2 13 TeV에서 측정된 ρ 및 σ_tot가 하이에너지 탄성 산란에 대해 COMPETE 매개식들을 제약하거나 제외할 수 있는가?
• RQ3 데이터가 t-채널에서 색이 없는 3-글루온 결합 상태 교환의 증거를 제공하는가?
• RQ4 Coulomb 정규화를 사용할 때의 총 단면 σ_tot는 얼마이며, 이전 TOTEM 측정값과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 TOTEM 결과가 고에너지에서의 단면 증가 및 잠재적 포화에 대한 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ρ = 0.09 ± 0.01 및 ρ = 0.10 ± 0.01, 모델링 가정에 따라 다름.
• 전례 없는 ρ 정밀도와 TOTEM σ_tot 측정이 모든 COMPETE 모델을 제외한다.
• TOTEM 결과는 색이 없는 3-글루온 결합 상태 교환을 포함하는 Regge-유사 및 QCD 기반 모델의 예측과 일치한다.
• Coulomb 정규화에 의해 σ_tot = 110.3 ± 3.5 mb가 도출되며, 차등 단면 결과와의 결합으로 σ_tot = 110.5 ± 2.4 mb를 얻는다.
• 이 측정은 t-채널에서 3-글루온 결합 상태 교환의 가능성을 뒷받침하는 한편, 그러한 교환이 지배적이지 않은 경우 단면 증가 포화 해석도 가능하게 한다.