[논문 리뷰] Partonic description of soft high energy pp interactions

A. D. Martin, V. A. Khoze외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 22.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 BFKL Pomeron 프레임워크를 확장하여 다중 Pomeron 교환과 효과적 적외선 절단 $k_{\text{sat}}$ 를 포함함으로써 부드럽고 반경통성 높은 proton-proton 상호작용을 통합된 부분입자적 기술로 제안한다. 이는 Pomeron-Pomeron 흡수로 인한 것으로, 모형은 LHC에서의 총 단면적과 비탄성 단면적 데이터를 성공적으로 기술하며, 예측된 Pomeron 절편은 $Δ \sim 0.35$ 이고, 측정된 빠르기 분포와 도플러 분해 단면적과 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

We discuss how the main features of high-energy `soft' and `semihard' pp collisions may be described in terms of parton cascades and multi-Pomeron exchange. The interaction between Pomerons produces an effective infrared cutoff, k_sat, by the absorption of low k_t partons. This provides the possibility of extending the parton approach, used for `hard' processes, to also describe high-energy soft and semihard interactions. We outline a model which incorporates these features. Finally, we discuss what the most recent LHC measurements in the soft domain imply for the model.

연구 동기 및 목표

• 소프트 및 하드 고에너지 $pp$ 상호작용을 하나의 부분입자적 프레임워크에 통합적으로 기술하기 위해 BFKL 역학 기반의 모델을 개발하는 것.
• 다중 Pomeron 교환과 eikonalized 흡수 보정을 통해 LHC 에너지에서 관측된 총 단면적과 비탄성 단면적의 증가를 설명하는 것.
• 에너지에 따라 증가하는 Pomeron 교환 수 $n_P$ 를 통해 빠르기 분포의 평탄한 플랫폼을 설명하는 것.
• Pomeron-Pomeron 상호작용으로 인한 효과적 적외선 절단 $k_{\text{sat}}$ 를 포함하여 BFKL 연쇄를 소프트 영역에서 안정화시키는 것.
• 최근 LHC 측정치인 총 단면적, 도플러 분해, 탄성 산란에 대한 모형의 검증을 수행하는 것.

제안 방법

• 소프트 영역으로의 양자 chromodynamics 접근을 확장하기 위해, $(1/x)$ 의 다음 최고 대수적 보정을 포함한 BFKL 방정식을 사용하여 $\ln(1/x)$ 진화에서의 글루온 연쇄를 기술한다.
• 비순서적인 $k_t$ 방출을 포함한 래더 다이어그램의 합으로 QCD Pomeron을 모델링하며, 이를 프로톤 내부의 작은 크기의 '핫스팟'으로 간주한다.
• eikonal 모형을 통해 다중 Pomeron 교환을 도입하며, $T_{ik} = (1 - e^{-\Omega/2})$ 를 사용한다. 여기서 $\Omega/2$ 는 총 Pomeron 교환 진폭을 나타낸다.
• Pomeron 궤도와 형상 요소를 매개변수화한 3채널 eikonal 모형을 통해 흡수 보정을 포함한다.
• 모형을 탄성 산란 단면적 $d\sigma_{\text{el}}/dt$, 총 단면적, 비탄성 단면적에 적용하며, 전체 빠르기 영역으로의 외삽도 포함한다.
• 고질량 도플러 분해를 기술하기 위해 삼중 Pomeron 정점과 재산산 보정을 적용하며, ATLAS의 $d\sigma/d\Delta\eta$ 데이터와의 일치를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BFKL Pomeron 프레임워크는 하드 과정 외에도 소프트 및 반경통성 높은 $pp$ 상호작용을 기술할 수 있는가?
• RQ2 다중 Pomeron 교환과 흡수 보정은 LHC 에너지에서 관측된 총 단면적과 비탄성 단면적의 에너지 의존성을 어떻게 설명하는가?
• RQ3 소프트 영역에서 BFKL 연쇄를 안정화시키는 데 효과적 적외선 절단 $k_{\text{sat}}$ 의 역할은 무엇인가?
• RQ4 LHC 측정치인 총 단면적과 도플러 분해는 제안된 부분입자 모형을 얼마나 잘 지지하는가?
• RQ5 eikonal화된 다중 Pomeron 모형은 빠르기 분포의 플랫폼과 탄성 산란의 $t$-의존성에 대해 얼마나 잘 기술하는가?

주요 결과

• BFKL Pomeron 절편은 작은 $k_t$ 영역에서 넓은 범위에 걸쳐 $\Delta \sim 0.35$ 로 안정되며, 이는 부분론적 양자 색역학이 소프트 영역으로 확장된다는 강력한 증거이다.
• 모형은 TOTEM의 측정치에서 유도된 총 단면적 ($\sigma_{\text{tot}} \approx 73.5$ mb) 과 ATLAS/CMS의 비탄성 단면적 ($\sigma_{\text{inel}} \approx 69.4$ mb) 을 양호한 일치로 기술하며, 전체 빠르기 영역으로의 외삽도 포함한다.
• ATLAS와 CMS의 비탄성 단면적 측정치는 $\sigma_{\text{inel}}^{\text{high}M} \approx 64$ mb 를 암시하며, 이는 저질량 도플러 분해에 대해 $\sigma_{\text{inel}}^{\text{low}M} \approx 9.5$ mb 를 남기고, 이는 모형 예측값인 8.2 mb 와 일치한다.
• 흡수 보정이 포함된 삼중 Pomeron 모형은 ATLAS의 고속도 갭 이벤트에 대한 $d\sigma/d\Delta\eta$ 데이터를 성공적으로 기술하며, 고질량 도플러 분해의 역할을 확인한다.
• Pomeron 궤도에 피온 루프를 포함하면 총 단면적이 1 mb 감소하여 96.4 mb 가 되며, 이는 $t=0$ 에서 $d\sigma_{\text{el}}/dt$ 를 외삽할 때의 불확실성을 드러낸다.
• 앞으로 $t=0$ 근처에서의 정밀한 탄성 산란 측정치, 특히 제로 도리 칼로리메터와 같은 전방 검출기의 도움을 통해 총 단면적의 불확실성이 감소할 것이며, 이는 $\Delta_{\text{bare}}$ 의 업데이트가 필요할 수 있음을 시사한다.