[논문 리뷰] Toward Description of $pp$ and $p{ m C}$ Interactions at High Energies: Problems of Fritiof-based Models

V. Uzhinsky|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 08.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 NA61/SHINE 및 NA49 실험 데이터를 바탕으로 고에너지 $pp$ 및 $p{\rm C}$ 상호작용에서 Fritiof 기반 모델(Fritiof 1.6, Fritiof 7.0, UrQMD 3.3, HIJING 1.383)의 성능을 평가한다. UrQMD는 $\pi^{-}$ 생성의 에너지 의존성을 재현하지 못하는 반면, Fritiof 모델은 약 10% 정도 $\pi^{-}$ 수율을 과소평가하고, HIJING는 이에 비해 약 10% 과대평가한다. 분열 매개변수와 산란 단면적을 조정하면 일치도가 향상되지만, 양성자 스펙트럼과 저질량 산란은 모든 모델에서 여전히 잘 기술되지 않는다.

ABSTRACT

How do the models (Fritiof 1.6, Fritiof 7.0, UrQMD 3.3 and Hijing 1.383) describe experimental data of NA61/SHINE and NA49 Collaborations on $pp$ and $p{ m C}$ interactions at high energies? An answer on this question is given in the paper. It is shown that the UrQMD model does not reproduce the energy dependence of $π^-$ meson production in $pp$-interactions; the Fritiof 1.6 and the Fritiof 7.0 models underestimate the meson production on $\sim$ 10 %; the Hijing model overestimates the data on $\sim$ 10 %. A change of a LUND fragmentation function parameter in the Fritiof models 1.6/7.0 allows to describe the data. A decreasing of probabilities of binary processes in the UrQMD model like $p+p ightarrow N+N'$ and so on, allows one to describe the data, thus a problem of a correct accounting of the processes arises. An increasing of a probability of the single diffraction dissociation in the Hijing model from 35 % to 50 % allows to describe the data, though a spectrum of masses produced in the diffraction is not satisfactory. A description of the diffraction is a problem in all the models.

연구 동기 및 목표

• 정밀한 실험 데이터를 활용하여 Fritiof 기반 모델(Fritiof 1.6, Fritiof 7.0, UrQMD 3.3, HIJING 1.383)이 고에너지 $pp$ 및 $p{\rm C}$ 상호작용을 얼마나 잘 기술하는지 평가하는 것.
• 이러한 모델들에서 입자 생성, 특히 $\pi^{-}$ 및 양성자 빠르기 스펙트럼의 체계적 결함을 규명하는 것.
• 모델과 데이터 간의 격리 원인으로서의 단일 산란 분해와 이중 상호작용 단면적의 역할을 조사하는 것.
• LUND 분열 매개변수와 산란 확률를 조정하는 등의 매개변수 조정 전략이 실험 스펙트럼과의 일치도를 향상시키는 데 기여하는지 탐색하는 것.
• intra-nuclear 캐스케이드 및 탈구성 메커니즘이 $p{\rm C}$ 상호작용에서의 양성자 스펙트럼 예측에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 20–158 GeV/c 에서의 $pp$ 및 $p{\rm C}$ 상호작용에서 $\pi^{-}$, $\pi^{\pm}$, $K^{\pm}$, 양성자, 반양성자 빠르기 분포에 대한 고정밀 NA61/SHINE 및 NA49 실험 데이터와 Fritiof 1.6, Fritiof 7.0, UrQMD 3.3, HIJING 1.383 모델 예측을 비교.
• Fritiof 모델에서 LUND 분열 함수 매개변수를 조정하여 $\pi^{-}$ 생성 데이터와의 일치도를 향상시키기.
• UrQMD에서 이중 상호작용 확률(예: $p+p\rightarrow N+N'$)을 조정하여 과잉 생성을 줄이고 에너지 의존성을 향상시키기.
• HIJING에서 단일 산란 분해 확률을 35%에서 50%로 증가시켜 데이터와 일치시키고, 그로 인한 질량 스펙트럼의 품질을 평가하기.
• 조정된 Fritiof 1.6에 레지온 이론 기반 모델(RTIM)을 도입하여 핵의 탈구성 메커니즘을 구현함으로써 $p{\rm C}$ 상호작용에서의 양성자 스펙트럼 기술도 향상시키기.
• 저질량 산란 영역에서의 단일 산란 성능 평가를 위해 $t$-의존성 및 제곱 질량 분포 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fritiof 기반 모델은 20–158 GeV/c 범위에서 $pp$ 상호작용에서 $\pi^{-}$ 메손 생성의 에너지 의존성을 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ2 왜 UrQMD와 Fritiof 모델은 $\pi^{-}$ 빠르기 스펙트럼을 잘 기술하지 못하며, LUND 분열 매개변수 조정으로 이 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ3 HIJING에서 단일 산란 분해 단면적을 증가시키면 데이터와의 일치도가 어느 정도 향상되는가? 그로 인한 질량 스펙트럼의 한계는 무엇인가?
• RQ4 왜 모든 모델에서 목표 영역의 양성자 스펙트럼이 잘 기술되지 않는가? 그리고 내부 핵 캐스케이드 및 탈구성 메커니즘 도입이 이를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 모델 예측이 $p{\rm C}$ 상호작용에서 데이터와 어떻게 비교되는가? 저에너지에서의 조정이 상당한 영향을 미치는가?

주요 결과

• UrQMD 3.3은 $pp$ 상호작용에서 $\pi^{-}$ 생성의 에너지 의존성을 재현하지 못하며, 158 GeV/c에서만 일치가 우연적으로 발생한다.
• Fritiof 1.6 및 Fritiof 7.0 모델은 모든 에너지에서 약 10% 정도 $\pi^{-}$ 생성을 과소평가하지만, LUND 분열 매개변수 조정으로 이를 보정할 수 있다.
• HIJING 1.383은 $\pi^{-}$ 생성을 약 10% 과대평가하지만, 단일 산란 분해 확률을 35%에서 50%로 증가시키면 일치도가 향상된다.
• 탈구성 억제를 통한 조정된 Fritiof 1.6 모델은 $p{\rm C}$ 상호작용에서의 양성자 스펙트럼, 특히 목표 영역에서 잘 기술한다.
• 모든 모델이 저질량 산란 분해를 정확히 시뮬레이션하지 못하며, $t$-의존성과 질량 스펙트럼에서 일치도가 떨어져 현재 모델 구현의 근본적 한계를 보여준다.
• 조정된 Fritiof 1.6 버전에 레지온 이론 기반 탈구성 모델(RTIM)을 도입하면 $p{\rm C}$ 상호작용에서의 양성자 스펙트럼 기술도 향상되지만, 중심 영역는 여전히 $pp$ 상호작용 문제 해결이 안 된 상태에서 잘 기술되지 않는다.