[논문 리뷰] Forward Physics at the LHC

A. D. Martin, M. G. Ryskin외 1명|ArXiv.org|2009. 03. 17.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 소프트 산란 관측량과 배제적 힉스 생성을 예측하기 위해 흡수 보정과 다중-포메론 교환을 포함한 다성분 eikonal 모델을 제시한다. 이 모델은 $k_t$-의존성 포메론 성분과 강화된 재산란 효과를 포함하며, $√s = 14$ TeV에서 총 단면적 약 90 mb와 빠른 격차의 생존 확률이 배경을 억제하여 빈도수 갭이 있는 허브스 보존 탐지에 유리한 조건을 제공하며, $∆ M_H \sim 1-2$ GeV의 정밀도로 누락 질량 재구성에 의해 청소된 힉스 보존 탐지가 가능하다.

ABSTRACT

We review two inter-related topics. First, we consider the behaviour of "soft" scattering observables, such as sigma_{tot}, dsigma_{el}/dt, dsigma_{SD}/dtdM^2, particle multiplicities etc., at high-energy proton-(anti)proton colliders. We emphasize the sizeable effects of absorption on high-energy `soft' processes, and, hence, the necessity to include multi-Pomeron-Pomeron interactions in the usual multi-channel eikonal description. We describe a multi-component model which has been tuned to the available data for soft processes in the CERN-ISR to Tevatron energy range, and which therefore allows predictions to be made for `soft' observables at the LHC. The second topic concerns the calculation of the rate of exclusive processes of the form pp --> p+A+p at high energy colliders, where A is a heavy system. In particular, we discuss the survival probability of the rapidity gaps (denoted by the + signs) to both eikonal and enhanced soft rescattering effects. At the LHC energy, the most topical case is when A is a Higgs boson. At the Tevatron, measurements have been made for the exclusive diffractive production of various systems: A being either gamma-gamma, dijet, or a chi_c meson. We compare the observed rates with the expectations. Finally, we describe how predictions for exclusive processes may be checked in the early runs of the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC 에너지에서 정확한 예측을 가능하게 하는 자기 일관성 있는 소프트 강입자 상호작용 모델을 개발하기 위해.
• 배제적 과정인 $pp \to p + H + p$와 같은 상황에서 강화된 소프트 재산란으로 인한 빠른 격차 억제 정도를 정량화하기 위해.
• 400 m 거리에 있는 전방 프로톤 탐지기를 사용하여 누락 질량 방법을 통해 힉스 보존 질량을 정밀하게 측정할 수 있도록 하기 위해.
• Tevatron에서의 배제적 $\gamma\gamma$, 디젯 및 $\chi_c$ 생성 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증하기 위해.
• 초기 LHC 런에 대한 검증 가능한 예측을 제공하여 배제적 과정 이론적 프레임워크를 확인하기 위해.

제안 방법

• 영향 매개변수에 의존하는 투과도 $\Omega(s,b)$를 사용한 다채널 eikonal 형식을 사용하여 탄성 및 비탄성 산란을 기술한다.
• 단일 포메론 교환을 초월한 흡수 보정을 고려하기 위해 전면적인 삼중-레지 다이어그램을 통한 다중-포메론-포메론 상호작용을 포함한다.
• 소프트에서 하드로의 전이를 모델링하기 위해 별개의 횡방향 운동량 ($k_t$) 척도를 가진 세 성분 포메론을 도입한다.
• 광학 정리와 단위성 조건을 적용하여 총 단면적, 탄성 및 비탄성 단면적을 eikonal 함수 $\Omega(s,b)$와 연결한다.
• 표준 eikonal과 강화된 재산란 효과를 모두 고려하여 빠른 격차의 생존 확률 $S^2$를 계산하며, 부분입자 중간 상태도 포함한다.
• CERN-ISR에서 Tevatron까지의 데이터에 적합하여 모델의 매개변수를 조정함으로써 LHC 에너지 $√s = 14$ TeV로의 외삽을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흡수 보정, 특히 다중-포메론 교환은 고에너지에서 총 단면적과 도핑 단면적 예측에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 LHC에서의 배제적 힉스 생성에서 빠른 격차의 생존 확률 $S^2$는 무엇이며, 강화된 소프트 재산란으로 인해 어떻게 수정되는가?
• RQ3 포메론 성분의 $k_t$-의존성은 총 단면적과 다중성과 같은 소프트 관측량이 $√s$와 함께 증가하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ4 모델은 Tevatron에서 관측된 배제적 생성률, 즉 $\gamma\gamma$, 디젯 및 $\chi_c$를 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ5 LHC에서의 배제적 힉스 생성에 대한 기대 단면적과 신호 대 배경 비율은 무엇이며, 전방 프로톤 탐지기를 통해 어떻게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 $√s = 14$ TeV에서 약 90 mb의 총 단면적을 예측하며, 강한 스크리닝로 인해 소프트 성분의 성장은 약한 편이다.
• 큰 $k_t$ (QCD 유사) 포메론 성분은 더 적은 스크리닝를 보이며 에너지에 따라 더 강하게 성장하여 하드 관측량에 크게 기여한다.
• LHC에서 힉스 보존과 같은 무거운 시스템의 배제적 힉스 생성에서 빠른 격차의 생존 확률 $S^2$는 억제되지만 극적으로는 아니며, 수치적으로는 작다.
• 120 GeV의 표준 모형 힉스 보존에 대해 $√s = 14$ TeV에서 배제적 힉스 생성 단면적은 약 2–3 fb로 예측되며, 신호 대 배경 비율은 약 일치 수준이다.
• 모델은 Tevatron에서의 배제적 $\gamma\gamma$, 디젯 및 $\chi_c$ 생성 데이터를 성공적으로 재현하여 그 타당성에 강력한 지원을 제공한다.
• HERA 데이터에 대한 NLO 피팅 결과는 낮은 $x$에서 구만 밀도가 평탄하거나 감소함을 시사하며, 이는 LHC에서 블랙 디스크 상태에 도달하지 못함을 의미하여 흡수 억제가 감소한다.