[논문 리뷰] Measurement of the total cross section and $ ho $-parameter from elastic scattering in pp collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad, Abbott, Braden Keim외 2963명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기의 ALFA 로만 포트를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 탄성 산란로부터 총 양성자-양성자 단면적과 ρ-파arameter의 고정밀 측정을 제시한다. 340 μb⁻¹의 데이터를 수집하여 |t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²까지 측정 범위를 연장함으로써 쿨롱-핵력 간섭에 대한 민감도를 확보하였으며, 이로 인해 σtot = 104.7 ± 1.1 mb 및 ρ = 0.098 ± 0.011을 도출하였다. 빛자랑도 및 정렬 불확도가 주요 오차 원인이다.

ABSTRACT

In a special run of the LHC with $β^\star = 2.5~$km, proton-proton elastic-scattering events were recorded at $\sqrt{s} = 13~$TeV with an integrated luminosity of $340~μ extrm{b}^{-1}$ using the ALFA subdetector of ATLAS in 2016. The elastic cross section was measured differentially in the Mandelstam $t$ variable in the range from $-t = 2.5 \cdot 10^{-4}~$GeV$^{2}$ to $-t = 0.46~$GeV$^{2}$ using 6.9 million elastic-scattering candidates. This paper presents measurements of the total cross section $σ_{ extrm{tot}}$, parameters of the nuclear slope, and the $ρ$-parameter defined as the ratio of the real part to the imaginary part of the elastic-scattering amplitude in the limit $t ightarrow 0$. These parameters are determined from a fit to the differential elastic cross section using the optical theorem and different parameterizations of the $t$-dependence. The results for $σ_{ extrm{tot}}$ and $ρ$ are \begin{equation*} σ_{ extrm{tot}}(pp ightarrow X) = \mbox{104.7} \pm 1.1 \; \mbox{mb} , \; \; \; ρ= \mbox{0.098} \pm 0.011 . \end{equation*} The uncertainty in $σ_{ extrm{tot}}$ is dominated by the luminosity measurement, and in $ρ$ by imperfect knowledge of the detector alignment and by modelling of the nuclear amplitude.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 탄성 산란에서 총 강입자 단면적 σtot과 ρ-파arameter를 측정하는 것.
• 4-momentum 전이 크기 |t|가 매우 작은 영역까지 탄성 산란 측정의 범위를 연장하여 쿨롱-핵력 간섭에 접근하는 것.
• 광학 정리와 적절한 편향 보정 및 빛자랑도 캘리브레이션을 고려한 미분 단면적 dσ_el/dt에 대한 피팅을 통해 σtot과 ρ를 결정하는 것.
• 데이터 기반 정렬 보정과 정밀한 빛자랑도 결정을 통해 시스템적 불확도를 감소시키는 것.

제안 방법

• 작은 빔 분산을 확보하기 위해 β* = 2.5 km로 설정된 특수한 LHC 주행 동안의 데이터를 사용하여, 마이크로라디안 수준의 각도에서 산란된 양성자를 측정한다.
• 탄성 산란 사건은 비커스 빔 파이프 근처에서 매우 작은 각도로 산란된 양성자를 측정하는 ALFA 보조 검출기로 재구성한다.
• 690만 개의 선택된 사건을 사용하여 |t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²에서 0.46 GeV²까지 38개의 구간으로 나누어 dσ_el/dt를 측정한다.
• 총 단면적 σtot는 광학 정리를 통해 전방 극한에서의 미분 단면적과 산란 진폭의 허수부 사이의 관계를 이용하여 추출한다.
• ρ-파라미터는 산란 진폭의 실수부와 허수부를 모두 포함하는 매개변수화 모델을 사용하여 dσ_el/dt 분포에 피팅함으로써 추출한다.
• 시스템적 불확도는 안정성 검증, 데이터 기반 방법을 통한 정렬 보정, 1.1%의 정밀도를 가진 빛자랑도 캘리브레이션을 통해 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 총 양성자-양성자 단면적은 얼마이며, 탄성 산란를 통해 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 √s = 13 TeV에서 ρ-파라미터는 얼마이며, σtot의 로그적 상승 모델 예측과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 검출기 정렬 및 빛자랑도 불확도는 매우 작은 |t| 영역에서 σtot 및 ρ 측정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 매우 작은 |t|에서 측정된 미분 단면적은 어느 정도의 쿨롱-핵력 간섭 효과를 반영하는가?
• RQ5 이전의 낮은 중심질량 에너지에서의 측정 결과와 비교해보면, σtot 및 ρ 결과는 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• √s = 13 TeV에서의 pp 탄성 산란에 대한 총 단면적은 σtot = 104.7 ± 1.1 mb로 측정되었으며, 이 불확도는 주로 빛자랑도 캘리브레이션에 기인한다.
• ρ-파라미터는 ρ = 0.098 ± 0.011로 결정되었으며, 주요 불확도는 검출기 정렬 및 핵력 진폭 모델링에서 기인한다.
• 미분 탄성 단면적은 |t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²까지 측정되었으며, 이는 이전 주행 대비 |t| 영역에서 한 계단 높은 측정 범위를 확보한 것이다.
• 측정된 dσ_el/dt 분포는 매우 작은 |t|에서 명확한 증가를 보이며, 이는 쿨롱-핵력 간섭과 일치하며 ρ의 정밀한 추출을 가능하게 하였다.
• 이 분석은 로만 포트 검출기와 데이터 기반 정렬 기법을 사용한 LHC에서의 고정밀 탄성 산란 측정의 가능성을 입증하였다.
• 결과는 이전 실험에서 관측된 σtot 및 ρ의 에너지 진동과 일치하지만, LHC의 최고 에너지에서 더 높은 정밀도를 확보하였다.