[논문 리뷰] Soft-QCD and UE spectra in pp collisions at very high CM energies (a Snowmass white paper)

Peter Skands|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 스노마스 화이트 페이퍼는 PYTHIA 6 페루지아 2012 튜닝과 보완 모델을 사용하여 양성자-양성자 충돌에서 소프트-QCD 및 기본 이벤트(UE) 관측량을 13–100 테바론 중심질량 에너지로 외삽한다. 에너지가 증가함에 따라 충전된 트랙 및 횡방향 에너지 밀도가 증가하는 것을 예측하며, 100 테바론에서 1.8±0.4개의 충전된 트랙이 ΔηΔφ 단위당, 중심 영역에서 1.9±0.35 GeV의 ET가 ΔR² 단위당 예측되며, PDF 및 색 재연결 효과로 인한 불확도를 강조한다.

ABSTRACT

We make some educated guesses for the extrapolations of typical soft-inclusive (minimum-bias, pileup, underlying-event) observables to proton-proton collisions at center-of-mass energies in the range 13 - 100 TeV. The numbers should be interpreted with (at least) a 10% uncertainty.

연구 동기 및 목표

• 미래의 충돌기 물리학에 관련된 매우 높은 중심질량 에너지(13–100 테바론)에서 소프트-QCD 및 기본 이벤트(UE) 관측량에 대한 합리적인 외삽을 제공하기 위해.
• 특히 PYTHIA 6 페루지아 2012를 포함한 검증된 이벤트 생성기 튜닝을 사용하여 최소한의 충돌, 피루업, UE 관측량의 스케일링 행동을 평가하기 위해.
• 고에너지 외삽에서 저x PDF, $p_{\perp 0}$ 정규화 스케일, 색 재연결 효과로 인한 불확도를 정량화하기 위해.
• 외삽 가정의 타당성을 검증하기 위해 기존 LHC 데이터와 비교하여 다양한 모델(SIBYLL, QGSJET, EPOS, PHOJET)의 성능을 평가하기 위해.
• 고에너지에서 중심 영역 및 후방 영역의 횡방향 에너지 및 트랙 다수 밀도를 추정함으로써 검출기 설계 및 캘리브레이션을 안내하기 위해.

제안 방법

• PYTHIA 6 페루지아 2012 튜닝 세트를 사용하며, 이는 $p_{\perp}$ 순서의 다중파트온 상호작용(MPI)과 스트링 면적 법칙에 기반한 비파erturbative 색 재연결 모델을 포함한다.
• Donnachie-Landshoff 추측을 사용하여 에너지 스케일링을 적용하며, $\epsilon \sim 0.08$을 사용하여 총 및 비탄성 단면적을 100 테바론까지 외삽한다.
• 특히 충전된 트랙 다수 및 횡방향 에너지 밀도에 대해 ALICE 및 ATLAS 데이터(7 테바론)와의 비교를 통해 예측값을 검증한다.
• 여러 모델(SIBYLL, QGSJET, EPOS)과 불확도 변형(PDF, 재정규화 스케일, IR 절단)의 결과를 조합하여 체계적 불확도를 추정한다.
• 페루지아 튜닝에서 유도된 $p_{\perp 0}$ 에너지 스케일링을 사용하여 소프트 MPI 기여를 모델링하며, $p_{\perp 0}$ 이 $\sqrt{s}$ 에 따라 증가함을 가정한다.
• 고에너지에서 제트의 $p_{\perp}$ 에 따라 거의 영향을 받지 않는다는 점을 고려하여, 제트에서 60°–120°의 앙상크에서의 TRANSVERSE 영역($|\eta|<2.5$)을 사용하여 UE $p_{\perp}$ 밀도를 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13에서 100 테바론 사이의 중심질량 에너지에서 비탄성 pp 충돌에서 중심 영역의 충전된 트랙 다수는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 100 테바론에서 중심 검출기 영역의 예상 횡방향 에너지 밀도는 얼마이며, 7 테바론에서의 LHC 측정치와 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 100-GeV 듀얼 제트에 대해 에너지가 증가함에 따라, TRANSVERSE 영역에서 측정된 UE 활동(즉, $p_{\perp}$ 밀도)은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 저x PDF 및 색 재연결 모델의 불확도는 고에너지에서 소프트-QCD 관측량의 외삽에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 기존 모델(SIBYLL, QGSJET, EPOS)은 LHC 데이터를 얼마나 잘 재현하는가? 그리고 100 테바론으로의 외삽에 신뢰할 수 있는 모델은 무엇인가?

주요 결과

• 비탄성 사건에서 |η|<1 범위에 최소한 하나의 트랙이 존재할 경우, 중심 영역의 충전된 트랙 밀도는 13 테바론에서 1.1±0.1, 30 테바론에서 1.33±0.14, 100 테바론에서 1.8±0.4 (ΔηΔφ 단위)로 추정된다.
• 중심 영역(|η|<1)에서 횡방향 에너지 밀도는 13 테바론에서 1.0±0.15 GeV/ΔR²에서 시작하여 30 테바론에서 1.25±0.2 GeV/ΔR²로 증가하고, 100 테바론에서 1.9±0.35 GeV/ΔR²로 증가한다.
• 100-GeV 듀얼 제트에 대해 TRANSVERSE 영역(|η|<2.5)에서 UE $p_{\perp}$ 밀도는 900 GeV에서 2.1 GeV/ΔR²에서 시작하여 13 테바론에서 3.3±0.2 GeV/ΔR², 30 테바론에서 3.65±0.25 GeV/ΔR², 100 테바론에서 4.4±0.45 GeV/ΔR²로 증가한다.
• UE 에너지 밀도 중 충전된 입자만을 고려한 비율은 총(중성자+충전된 입자) 밀도보다 약 1.6배 낮다.
• PYTHIA 6 페루지아 2012 및 PYTHIA 8(tune 4C)는 이전 튜닝이나 QGSJET II, EPOS와 같은 모델보다 ALICE의 트랙 다수 증가에 대한 데이터를 더 잘 재현한다.
• 현재의 PYTHIA 모델은 고에너지에서 후방 영역의 UE 활동을 최대 1.5배 정도 과소평가하고 있어, 향후 고에너지에서의 후방 영역 모델링 향상의 필요성을 시사한다.