[논문 리뷰] First measurement of elastic, inelastic and total cross-section at $\sqrt{s}=13$ TeV by TOTEM and overview of cross-section data at LHC energies

The TOTEM Collaboration, Antchev외 87명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 66

한 줄 요약

TOTEM은 13 TeV에서 탄성, 비탄성, 총 프로톤-프로톤 교차 섹션에 대한 빛 가설 의존성 없는 첫 측정치를 보고하며, σ_tot = 110.6 ± 3.4 mb, σ_el = 31.0 ± 1.7 mb, σ_inel = 79.5 ± 1.8 mb를 얻었고, σ_el/σ_tot = 0.281 ± 0.009 및 σ_el/σ_inel = 0.390 ± 0.017.

ABSTRACT

The TOTEM collaboration has measured the proton-proton total cross section at $\sqrt{s}=13$ TeV with a luminosity-independent method. Using dedicated $β^{*}=90$ m beam optics, the Roman Pots were inserted very close to the beam. The inelastic scattering rate has been measured by the T1 and T2 telescopes during the same LHC fill. After applying the optical theorem the total proton-proton cross section is $σ_{ m tot}=(110.6 \pm 3.4$) mb, well in agreement with the extrapolation from lower energies. This method also allows one to derive the luminosity-independent elastic and inelastic cross sections: $σ_{ m el} = (31.0 \pm 1.7)$ mb and $σ_{ m inel} = (79.5 \pm 1.8)$ mb.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 luminosity-independent 방법을 사용하여 총 프로톤-프로톤 교차 섈션을 결정한다.
• 탄성 및 비탄성 산란 비율을 동시에 측정하여 교차 섹션을 도출한다.
• 광학 정리를 이용하여 t = 0에서 탄성 데이터를 외삽하여 σ_tot를 얻는다.
• LHC 에너지에서의 교차 섹션 데이터에 대한 포괄적 개요를 제공하고, 낮은 에너지 측정값과 비교한다.

제안 방법

• β* = 90 m의 전용 빔 광학 및 Roman Pots를 사용하여 빔 근처에서 탄성 산란된 양성자를 검출한다.
• 동일한 LHC 충전 중에 T1 및 T2 망원경으로 비탄성 비율을 측정한다.
• dN_el/dt|_{t=0}와 N_el+N_inel에서 σ_tot를 추출하기 위해 광학 정리를 적용한다.
• 기하 수용계, 빔 확산, 언폴딩 및 탐지기 비효율에 대해 데이터 기반 및 MC 기법으로 보정한다.
• 비탄성 사건(2h 및 1h 위상)을 분류하고 빔 가스, 누적 겹침, 트리거 효율성 등 다양한 보정을 적용한다.
• σ_el 및 σ_inel의 비율 기반 및 합계 기반의 luminosity-independent 결정치를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 luminosity-independent 방식으로 탄성, 비탄성, 총 pp 교차 섹션은 무엇인가?
• RQ2 13 TeV 교차 섹션 데이터는 낮은 에너지의 TOTEM 측정값 및 글로벌 적합치와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 13 TeV에서 탄성-총 비율 및 탄성-비탄성 비율은 무엇이며, 에너지에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ4 t = 0 근처의 탄성 산란에서 추정된 기울기 매개변수 B는 무엇이며, 보정된 외삽값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• σ_tot = 110.6 ± 3.4 mb (ρ = 0.1로 가정).
• σ_el = 31.0 ± 1.7 mb 및 σ_inel = 79.5 ± 1.8 mb (luminosity-independent).
• σ_el/σ_inel = 0.390 ± 0.017 및 σ_el/σ_tot = 0.281 ± 0.009.
• 측정된 dN_el/dt의 가용한 t-범위에 대한 지수적 적합으로 dN_el/dt|_{t=0}를 얻는다.
• 본 연구는 낮은 에너지에서의 외삽과 일관성을 확인하고 luminosity-independent 프레임워크에서 13 TeV 교차 섭션 측정치를 최초로 제공한다.
• 수용도, 언폴딩, 정렬, 광학 불확실성 및 비탄성 사건 위상(2h 및 1h)에 대한 상세 보정이 포함된다.