[논문 리뷰] "Soft" Hadronic Cross Sections Challenge Hidden Dimensions

M. M. Block, F. Halzen|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 피에르 아제르 관측소의 고에너지 양성자-양성자 및 양성자-양성자 산란 데이터를 분석하여 총단면적과 비탄성 단면적이 프로이사르 경계에 도달함을 보이며, 에너지 의존성이 약 ∼ln²s임을 밝힌다. 분석 결과 양성자는 점 渐진적 흑색 디스크로 행동함을 확인하였으며, σinel/σtot = 0.509 ± 0.021로 나타나 추가적인 시공간 차원이 존재할 경우 단면적 에너지 의존성에 s 또는 ln s의 고차항을 도입할 수 있음을 배제한다.

ABSTRACT

High energy measurements of the inelastic proton-proton cross sections, at the LHC at $\sqrt s$=7 TeV and by Auger at 57 TeV, have validated previous evidence from data collected over a wide range of energies that the total and inelastic cross sections for $pp$ and $\bar pp$ interactions saturate the Froissart bound of $\ln^2 s$. Although the data themselves did not cover truly asymptotic energies, our recent analysis of these data obtained the asymptotic ratio $\sigin/\sigtot=0.509\pm 0.021$, consistent with the value of 1/2 required for scattering by a black disk; further, the forward scattering amplitude became purely imaginary for $s ightarrow \infty$, confirming the black disk interpretation. In addition, the limiting black disk behavior has been independently confirmed by an analysis of Schegelsky and Ryskin including LHC data on the shrinkage of the slope of the forward elastic scattering cross section. Unless one considers these results, emerging from an analytic amplitude analysis of data over an energy range of $6\le \sqrt s\le 57000$ GeV, a complete numerical accident, we rule out any new physics thresholds that contribute higher powers of $\ln s$ or, worse, powers of $s$ to the energy dependence of cross sections {\it at any energy}. This includes theories with additional dimensions of space-time, whose existence is challenged.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 강입자 단면적의 행동이 숨겨진 시공간 차원의 존재를 지지하는지 테스트하기 위해.
• 점 渐진적 에너지에서 총단면적과 비탄성 단면적의 에너지 의존성이 흑색 디스크 모델과 일치하는지 확인하기 위해.
• 새로운 물리학 임계값(예: 추가 차원에서 기인하는 것들)이 데이터에 숨겨져 있어도 관측된 ln²s 행동을 방해하지 않는지 평가하기 위해.
• 단위성, 해석성 및 유한에너지 합규칙에 기반한 해석적 진폭 기법을 사용하여 흑색 디스크 그림을 검증하기 위해.

제안 방법

• 무한 에너지로 단면적을 외삽하기 위해 단위성과 해석성 조건을 사용한 해석적 진폭 기법을 적용하였다.
• 낮은 에너지 데이터(6 GeV까지)에 기반한 유한에너지 합규칙(FESR)을 사용하여 진폭 행동을 제약하였다.
• R = R₀ ln s 기반의 매개변수화를 사용하여 총단면적과 비탄성 단면적을 피팅하였으며, 점 渐진적 한계에서 σtot = 8πB 및 σinel/σtot = 1/2를 도출하였다.
• LHC 및 PAO 데이터(최대 57 TeV)를 예측의 독립적 검증으로 활용하였으며, 피팅에 포함하지는 않았다.
• TOTEM 및 셰겔스키-리스킨의 핵 스코프 매개변수 B 분석을 통해 결과를 교차검증하였다. 이는 산란 디스크의 반지름을 측정한다.
• ln²s 항의 계수를 통해 단면적의 에너지 의존성을 평가하였으며, 예측값과 데이터를 비교하여 흑색 디스크 행동에서의 이탈 여부를 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지에서 총단면적과 비탄성 단면적의 에너지 의존성이 점 渐진적 흑색 디스크 모델을 지지하는가?
• RQ2 고에너지에서 관측된 σinel/σtot ≈ 1/2 비율이 새로운 물리학 임계값 없이 설명될 수 있는가?
• RQ3 숨겨진 시공간 차원이 부드러운 강입자 단면적 에너지 의존성에 감지 가능한 인상을 남기는가?
• RQ4 단면적의 ln²s 행동이 점 渐진적 에너지에서 양성자를 순수하게 글루온 기반의 흑색 디스크로 해석하는 것과 일치하는가?
• RQ5 높은 임계값을 가진 추가 시공간 차원이 현재 데이터와 일치하는 방식으로 단면적의 점 渐진적 행동을 변화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 점 渐진적 비탄성 대 총단면적 비율은 σinel/σtot = 0.509 ± 0.021로 나타나 흑색 디스크 예측값 1/2와 일치한다.
• 무한 에너지에서의 정면 산란 진폭은 순수하게 허수로 변환되어 흑색 디스크 해석을 확인한다.
• LHC와 PAO에서 각각 7 TeV 및 57 TeV에서의 측정치는 예측된 ln²s 행동과 뛰어난 일치를 보인다.
• TOTEM 및 셰겔스키-리스킨 분석을 통해 고에너지에서 핵 스코프 매개변수 B가 수축하는 것이 확인되었으며, 이는 독립적으로 흑색 디스크 모델을 지지한다.
• s의 거듭제곱 또는 고차 로그 항을 도입할 수 있는 새로운 물리학 임계값(예: 추가 차원에서 기인하는 것들)이 존재할 여지가 없다.
• 글루온 지배 및 벡터 메손 지배를 통한 해석에서, 흑색 디스크 행동은 pp, p̄p, πp, Kp, γp 등의 모든 강입자 반응에서 일반화된다.