[논문 리뷰] Measurement of energy flow, cross section and average inelasticity of forward neutrons produced in $\mathrm{\sqrt{s} = 13 TeV}$ proton-proton collisions with the LHCf Arm2 detector

O. Adriani, E. Berti외 21명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 37인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CERN 대형 강입자 충돌기에서 LHCf Arm2 검출기를 사용하여 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서의 전방 중성자에 대한 포함형 미분 생성 단면적, 에너지 흐름 및 평균 비탄성도의 최초 측정을 제시한다. 누적 루미너시 0.194 nb⁻¹로 수집된 데이터는 주로 가장 전방의 의사속도도 영역(η > 10.75)에서 라이딩 하드론 상호작용 모델(QGSJET II-04, SIBYLL 2.3, EPOS-LHC)과 실험 결과 사이에 심각한 이질성을 드러내며, 이 모든 모델이 이 영역에서는 데이터를 재현하지 못함을 보여준다. 반면 EPOS-LHC는 덜 전방 영역에서 가장 양호한 총합 일치도를 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we report the measurement of the energy flow, the cross section and the average inelasticity of forward neutrons (+ antineutrons) produced in $\sqrt{s} = 13$ TeV proton-proton collisions. These quantities are obtained from the inclusive differential production cross section, measured using the LHCf Arm2 detector at the CERN Large Hadron Collider. The measurements are performed in six pseudorapidity regions: three of them ($\eta > 10.75$, $8.99 < \eta < 9.21$ and $8.80 < \eta < 8.99$), albeit with smaller acceptance and larger uncertainties, were already published in a previous work, whereas the remaining three ($10.06 < \eta < 10.75$, $9.65 < \eta < 10.06$ and $8.65 < \eta < 8.80$) are presented here for the first time. The analysis was carried out using a data set acquired in June 2015 with a corresponding integrated luminosity of $\mathrm{0.194~nb^{-1}}$. Comparing the experimental measurements with the expectations of several hadronic interaction models used to simulate cosmic ray air showers, none of these generators resulted to have a satisfactory agreement in all the phase space selected for the analysis. The inclusive differential production cross section for $\eta > 10.75$ is not reproduced by any model, whereas the results still indicate a significant but less serious deviation at lower pseudorapidities. Depending on the pseudorapidity region, the generators showing the best overall agreement with data are either SIBYLL 2.3 or EPOS-LHC. Furthermore, apart from the most forward region, the derived energy flow and cross section distributions are best reproduced by EPOS-LHC. Finally, even if none of the models describe the elasticity distribution in a satisfactory way, the extracted average inelasticity is consistent with the QGSJET II-04 value, while most of the other generators give values that lie just outside the experimental uncertainties.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 전방 중성자의 포함형 미분 생성 단면적을 측정하기 위해.
• 확장된 공기 샤워 시뮬레이션의 향상에 기여하기 위해 전방 중성자의 에너지 흐름과 평균 비탄성도를 결정하기 위해.
• 주요 하드론 상호작용 모델(QGSJET II-04, SIBYLL 2.3, EPOS-LHC)의 성능을 고정밀 전방 중성자 데이터와 비교하기 위해.
• 초고에너지 우주선(UHECR) 질량 조성 측정의 시스테믹 불확실성을 줄이기 위해 공기 샤워 시뮬레이션에 정확한 캘리브레이션 데이터를 제공하기 위해.
• 우주선 공기 샤워 시뮬레이션에 사용되는 하드론 상호작용 모델에 대한 고에너지 캘리브레이션 데이터의 부족을 해결하기 위해.

제안 방법

• CERN 대형 강입자 충돌기의 LHCf Arm2 검출기를 사용하여 13 TeV p-p 충돌에서 전방 중성입자를 측정하였다.
• 2015년 6월에 수집된 누적 루미너시 0.194 nb⁻¹의 데이터 세트를 분석하였다.
• 세 가지 이전에 발표되지 않은 영역(10.06 < η < 10.75, 9.65 < η < 10.06, 8.65 < η < 8.80) 포함하여 여섯 개의 의사속도도 영역에서 포함형 미분 생성 단면적을 측정하였다.
• 운동량 재구성 및 편향 제거 기법을 사용하여 측정된 단면적에서 에너지 흐름과 평균 비탄성도를 추출하였다.
• QGSJET II-04, SIBYLL 2.3, EPOS-LHC 및 QGSJET II-03의 네 가지 하드론 상호작용 모델의 예측과 결과를 비교하였다.
• 각 단면적 영역의 통계적 및 시스템적 불확실성을 제곱합하여 상한 및 하한 불확실성을 보고하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 하드론 상호작용 모델이 13 TeV p-p 충돌에서 전방 중성자의 포함형 미분 생성 단면적을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ2 가장 전방의 의사속도도 영역(η > 10.75)에서 전방 중성자의 측정된 에너지 흐름과 평균 비탄성도는 무엇인가?
• RQ3 전체 의사속도도 범위에서 측정된 중성자 단면적과 가장 양호한 일치도를 보이는 하드론 상호작용 모델은 무엇인가?
• RQ4 측정된 중성자 에너지 분포 및 비탄성도 값은 고에너지 하드론 충돌에서의 전방 바리온 생성에 대한 현재 이해에 어느 정도 도전하는가?
• RQ5 모델과 데이터 사이의 이질성이 초고에너지 우주선(UHECR) 실험에서 사용되는 공기 샤워 시뮬레이션의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최근 전방 영역(η > 10.75)에서 전방 중성자의 포함형 미분 생성 단면적은 테스트된 모든 하드론 상호작용 모델이 재현하지 못하며, 이는 이 운동역학 영역에서 현재 시뮬레이션의 심각한 실패를 시사한다.
• 덜 전방 영역(8.65 < η < 8.80에서 10.06 < η < 10.75까지)에서는 EPOS-LHC가 측정된 단면적과 가장 양호한 총합 일치도를 보이며, 특히 에너지 흐름 분포에서 뛰어난 일치를 보인다.
• SIBYLL 2.3는 8.80 < η < 8.99 영역에서 데이터와 가장 양호한 일치를 보이며, EPOS-LHC는 8.99 < η < 9.21 및 10.06 < η < 10.75 영역에서 최고 성능을 보인다.
• 전방 중성자의 평균 비탄성도는 QGSJET II-04 예측과 일치하는 것으로 측정되었으며, 나머지 대부분의 모델은 실험적 불확실성 범위 내에서 과도하거나 과소 예측한다.
• 8.65 < η < 8.80 및 8.80 < η < 8.99 영역에서 측정된 에너지 흐름 및 단면적 분포는 SIBYLL 2.3나 QGSJET II-04보다 EPOS-LHC와 더 양호한 일치도를 보인다.
• 10.75 < η < 11.00 영역에서는 모든 모델이 단면적을 설명하지 못하는 심각한 이질성이 드러나며, 이는 고에너지 p-p 충돌에서 전방 바리온 생성의 모델링 향상 필요성을 시사한다.