[논문 리뷰] Predictions of pp, pbar p total cross section and rho ratio at LHC and cosmic-ray energies based on duality

Keiji Igi, Muneyuki Ishida|ArXiv.org|2005. 10. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 이원성과 유한에너지 합규칙(FESR)을 사용하여 LHC 및 초고에너지 간성우 에너지에서 양성자-양성자(pp) 및 반양성자-양성자(p̄p) 총단면적과 ρ 비율을 예측한다. Tevatron 에너지(1.8 TeV)까지의 데이터를 적합하여 고에너지 파rameter를 제약하고, √s = 14 TeV에서 σ_tot^pp = 106.3 ± 5.1 (계측) ± 2.4 (통계) mb 및 ρ^pp = 0.126 ± 0.007 (계측) ± 0.004 (통계)를 예측한다. 이는 10^8–10^9 GeV의 실험적 간성우 에너지까지의 데이터와 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Based on duality, we previously proposed to use rich informations on pi p total cross sections below N=10GeV in addition to high-energy data in order to discriminate whether these cross sections increase like log nu or log2 nu at high energies. We then arrived at the conclusion that our analysis prefers the log2 nu behaviours. Using the FESR as a constraint for high energy parameters also for the pp, pbar p scattering, we search for the simultaneous best fit to the data points of sigma(tot) and rho ratio up to some energy (e.g., ISR, Tevatron) to determine the high-energy parameters. We then predict sigma(tot) and rho in the LHC and high-energy cosmic-ray regions. Using the data up to E=1.8TeV (Tevatron), we predict sigma(tot)pp and rho(pp) at the LHC energy (E=14TeV) as 106.3+- 5.1syst +- 2.4stat mb and 0.126 +- 0.007syst +- 0.004stat, respectively. The predicted values of sigma(tot) in terms of the same parameters are in good agreement with the cosmic-ray experimental data up to Plab = 10 (8--9) GeV.

연구 동기 및 목표

• 이원성과 유한에너지 합규칙(FESR)을 사용하여 LHC 및 초고에너지 간성우 에너지에서 pp 및 p̄p 산란의 총단면적과 ρ 비율을 예측하기.
• 저에너지 및 고에너지 πp 데이터를 바탕으로 총단면적의 점 渐진적 행동이 log ν인지 log²ν인지를 구분하기.
• FESR를 통해 고에너지 파rameter(c₀, c₁, c₂, β_P′)를 제약하면서도 이원성이 유지되도록 하기.
• Tevatron 데이터의 이질성(CDF 대 E710/E811)이 고에너지 예측의 체계적 오차에 미치는 영향을 평가하기.
• 기존 이론 모델 및 간성우 실험 데이터(P_lab ~ 10^9 GeV까지)와의 비교를 통해 결과를 검토하기.

제안 방법

• 이원성과 단위보장을 보장하기 위해 전방산란 진폭에 대한 유한에너지 합규칙(FESR)을 제약 조건으로 사용한다.
• 교차가 우수한 진폭 F^(+)의 허수부를 Im F^(+) = (k σ_tot^(+))/(4π)로 모형화하며, 고에너지 행동은 c₀ + c₁ log(ν/M) + c₂ log²(ν/M) + β_P′ (ν/M)^α_P′로 가정한다.
• 해석적 계속과 분포관계를 사용하여 진폭의 실수부를 유도하며, 특히 Re R(ν) = (πν/(2M²))(c₁ + 2c₂ log(ν/M))로 표현한다.
• ISR(√s ≈ 60 GeV까지) 및 Tevatron(√s ≈ 1.8 TeV까지) 데이터에서 σ_tot^(+)와 ρ^(+)를 동시에 적합하여 최적의 고에너지 파ram터를 도출한다.
• 적합된 파ram터를 사용하여 LHC 에너지(√s = 14 TeV) 및 초고에너지 간성우 에너지(P_lab = 5×10^20 eV)로의 외삽 예측을 수행한다.
• CDF 대 E710/E811 데이터 간의 차이를 체계적 오차로 간주하여, 1.8 TeV에서의 적합 결과를 비교함으로써 체계적 오차를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp 및 p̄p 산란의 총단면적이 고에너지에서 Froissart-Martin 단위보장에 일치하는 바, log ν인지 log²ν인지 증가하는가?
• RQ2 이원성과 FESR 제약 조건을 사용하여 ISR 및 Tevatron 데이터에서 LHC 및 간성우 에너지로의 총단면적과 ρ 비율을 신뢰성 있게 외삽할 수 있는가?
• RQ3 Tevatron 데이터의 이질성(CDF 대 E710/E811)이 고에너지 예측의 체계적 오차에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 LHC 에너지에서 예측된 σ_tot^pp 및 ρ^pp 값이 기존 이론 모델 및 간성우 관측 결과와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 Froissart 경계가 포화되는가, 즉 점 渐진적 에너지에서 σ_tot^pp가 log² s 의 의존성을 보이는가?

주요 결과

• 분석 결과는 총단면적에 대해 log² ν 행동이 유리하다고 지지하며, Froissart-Martin 단위보장과 이원성과 일치한다.
• Tevatron 에너지(1.8 TeV)까지의 데이터를 사용하여, √s = 14 TeV에서 pp 산란의 예측 총단면적은 106.3 ± 5.1 (계측) ± 2.4 (통계) mb이다.
• LHC 에너지에서 예측된 ρ 비율은 0.126 ± 0.007 (계측) ± 0.004 (통계)이며, 체계적 오차는 주로 1.8 TeV 데이터 포인트에서 기인한다.
• 간성우 에너지(P_lab ~ 10^8–10^9 GeV)에서 σ_tot^pp에 대한 모델 예측은 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며, 외삽의 타당성을 뒷받침한다.
• E710/E811 데이터를 사용한 피팅 2의 결과는 103.8 ± 2.3 mb, ρ = 0.122 ± 0.004이며, CDF 데이터를 사용한 피팅 3의 결과는 108.9 ± 2.4 mb, ρ = 0.129 ± 0.004로 나타나 Tevatron 데이터의 이질성으로 인한 상당한 체계적 오차가 있음을 시사한다.
• 14 TeV에서 σ_tot^pp의 중심 예측값 106.3 ± 5.1 mb는 Block과 Halzen(2005)의 107.4 ± 1.2 mb와 양호한 일치를 보이며, Akeno 결과와 일치하는 간성우 데이터와도 잘 부합한다.