[论文解读] First measurement of elastic, inelastic and total cross-section at $\sqrt{s}=13$ TeV by TOTEM and overview of cross-section data at LHC energies

The TOTEM Collaboration, Antchev+87 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 66

一句话总结

TOTEM 报告在 13 TeV 下实现了首次与光度无关的弹性、非弹性和总质子-质子截面的测量，得到 σ_tot = 110.6 ± 3.4 mb, σ_el = 31.0 ± 1.7 mb, σ_inel = 79.5 ± 1.8 mb, 其中 σ_el/σ_tot = 0.281 ± 0.009 和 σ_el/σ_inel = 0.390 ± 0.017。

ABSTRACT

The TOTEM collaboration has measured the proton-proton total cross section at $\sqrt{s}=13$ TeV with a luminosity-independent method. Using dedicated $β^{*}=90$ m beam optics, the Roman Pots were inserted very close to the beam. The inelastic scattering rate has been measured by the T1 and T2 telescopes during the same LHC fill. After applying the optical theorem the total proton-proton cross section is $σ_{ m tot}=(110.6 \pm 3.4$) mb, well in agreement with the extrapolation from lower energies. This method also allows one to derive the luminosity-independent elastic and inelastic cross sections: $σ_{ m el} = (31.0 \pm 1.7)$ mb and $σ_{ m inel} = (79.5 \pm 1.8)$ mb.

研究动机与目标

• 使用光度无关的方法在 √s = 13 TeV 下确定总的质子-质子截面。
• 同时测量弹性和非弹性散射率以推导截面。
• 通过光学定理将弹性数据外推至 t = 0 以获得 σ_tot。
• 提供 LHC 能量截面数据的全面概览，并与低能量测量结果进行比较。

提出的方法

• 使用专用的 β* = 90 m 的束光学和 Roman Pots 在束附近探测弹性散射质子。
• 在同一 LHC 煤充期间使用 T1 和 T2 望远镜测量非弹性率。
• 应用光学定理从 dN_el/dt|_{t=0} 和 N_el+N_inel 中提取 σ_tot。
• 用数据驱动和 MC 技术对几何接受、束分散、展开和探测器效率的修正。
• 对非弹性事件进行分类（2h 和 1h 拓扑）并应用多种修正（束气、堆积、触发效率等）。
• 提供基于比率与基于和的光度无关的 σ_el 和 σ_inel 的确定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV 下，使用光度无关方法得到的弹性、非弹性和总 pp 截面是多少？
• RQ2 13 TeV 的截面数据与较低能量的 TOTEM 测量和全局拟合结果相比如何？
• RQ3 在 13 TeV 下的弹性-总和弹性-非弹性比率是多少，它们随能量的演变如何？
• RQ4 从弹性散射 near t = 0 推断出的斜率参数 B 是多少，与外推结果相比如何？

主要发现

• σ_tot = 110.6 ± 3.4 mb (假设 ρ = 0.1).
• σ_el = 31.0 ± 1.7 mb 和 σ_inel = 79.5 ± 1.8 mb (luminosity-independent).
• σ_el/σ_inel = 0.390 ± 0.017 和 σ_el/σ_tot = 0.281 ± 0.009.
• 从在可访问的 t 范围内测量的 dN_el/dt|_{t=0} 的指数拟合获得 t=0 时的 dN_el/dt|_{t=0}。
• 研究结果表明与低能量外推结果一致，并提供了在 luminosity-independent 框架下的首批 13 TeV 截面测量。
• 分析包括对接受度、展开、对齐、光学不确定性以及非弹性事件拓扑（2h 和 1h）的详细修正。