[論文レビュー] First determination of the $ ho $ parameter at $\sqrt{s} = 13$ TeV -- probing the existence of a colourless three-gluon bound state

G. Antchev, P. Aspell+93 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるTOTEM実験により、$√s = 13$ TeVでの$ρ$パラメータの最初の測定を報告しており、異なる仮定のもとで$ρ = 0.09 \pm 0.01$および$ρ = 0.10 \pm 0.01$の結果を得た。高精度な結果は、陽子-陽子弾性散乱における色荷なし三グルーオン束縛状態の交換を予測する理論的モデルを支持しており、COMPETEに分類されたすべてのモデルを除外する。また、Coulomb振幅の正規化を用いることで、$σ_{\text{tot}} = 110.3 \pm 3.5$ mbという新たな独立な全断面積測定を可能にした。

ABSTRACT

The TOTEM experiment at the LHC has performed the first measurement at $\sqrt{s} = 13$ TeV of the $ ho$ parameter, the real to imaginary ratio of the nuclear elastic scattering amplitude at $t=0$, obtaining the following results: $ ho = 0.09 \pm 0.01$ and $ ho = 0.10 \pm 0.01$, depending on different physics assumptions and mathematical modelling. The unprecedented precision of the $ ho$ measurement, combined with the TOTEM total cross-section measurements in an energy range larger than 10 TeV (from 2.76 to 13 TeV), has implied the exclusion of all the models classified and published by COMPETE. The $ ho$ results obtained by TOTEM are compatible with the predictions, from alternative theoretical models both in the Regge-like framework and in the QCD framework, of a colourless 3-gluon bound state exchange in the $t$-channel of the proton-proton elastic scattering. On the contrary, if shown that the 3-gluon bound state $t$-channel exchange is not of importance for the description of elastic scattering, the $ ho$ value determined by TOTEM would represent a first evidence of a slowing down of the total cross-section growth at higher energies. The very low-$|t|$ reach allowed also to determine the absolute normalisation using the Coulomb amplitude for the first time at the LHC and obtain a new total proton-proton cross-section measurement $\sigma_{tot} = 110.3 \pm 3.5$ mb, completely independent from the previous TOTEM determination. Combining the two TOTEM results yields $\sigma_{tot} = 110.5 \pm 2.4$ mb.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子弾性散乱において、$√s = 13$ TeVでの$ρ$パラメータを初めて測定すること。
• 散乱振幅の$t$-チャネルにおける交換を通じて、色荷なし三グルーオン束縛状態の存在を検証すること。
• 高エネルギー領域における全断面積の増加行動に対する$ρ$結果の意味を評価すること。
• Coulomb振幅を用いて、LHCで初めて弾性散乱断面積の絶対正規化を決定すること。
• 全陽子-陽子断面積の新たな独立測定を提供すること。

提案手法

• LHCにおけるTOTEM実験の高精度な前方陽子検出を活用し、$√s = 13$ TeVでの弾性散乱を測定した。
• 異なる理論的仮定とモデリング手法を用いて、$t=0$における核的弾性散乱振幅の実部と虚部の比から$ρ$パラメータを抽出した。
• $ρ$測定結果を2.76から13 TeVまでの以前のTOTEM全断面積データと組み合わせ、モデルの整合性を検証した。
• Coulomb振幅干渉を適用して、弾性断面積の絶対正規化を決定し、新たな独立な$σ_{\text{tot}}$の決定を可能にした。
• 得られた$ρ$値を用いて、三グルーオン束縛状態のRegge的およびQCDに基づく理論的フレームワークとの整合性を評価した。
• 新しい正規化に基づく$σ_{\text{tot}}$を以前のTOTEM結果と組み合わせ、精緻な全断面積推定値を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定された$ρ$パラメータが、陽子-陽子散乱の$t$-チャネルにおける色荷なし三グルーオン束縛状態の存在を支持するか？
• RQ2 TOTEMの$ρ$測定値は、Regge的およびQCDに基づく三グルーオン交換の代替理論的フレームワークの予測と整合するか？
• RQ3 $ρ$値は、COMPETE共同研究グループが分類・公表したすべてのモデルを除外できるか？
• RQ4 三グルーオン交換が支配的でない場合、観測された$ρ$値は全断面積の増加が高エネルギー領域で鈍化することを示唆するか？
• RQ5 Coulomb振幅干渉を用いて、$√s = 13$ TeVにおける弾性散乱断面積の絶対正規化は、どのように独立に決定されるか？

主な発見

• モデル仮定に応じて、$ρ$パラメータは$ρ = 0.09 \pm 0.01$および$ρ = 0.10 \pm 0.01$と測定され、$√s = 13$ TeVでの最初の決定となった。
• 高精度な$ρ$結果は、COMPETEが分類・公表したすべてのモデルを除外した。
• $ρ$値は、$t$-チャネルに色荷なし三グルーオン束縛状態交換を含む、Regge的およびQCDに基づく両理論フレームワークの予測と整合性を示した。
• Coulomb振幅を用いて、LHCで初めて弾性散乱断面積の絶対正規化を決定し、$σ_{\text{tot}} = 110.3 \pm 3.5$ mbの結果を得た。
• この新しい結果を以前のTOTEMデータと組み合わせることで、精緻な全断面積$σ_{\text{tot}} = 110.5 \pm 2.4$ mbが得られた。
• 結果は、三グルーオン束縛状態交換が顕著でない場合、$ρ$値が全断面積の増加が高エネルギー領域で鈍化することを示唆している。