[论文解读] Measurement of the total cross section and $ ho $-parameter from elastic scattering in pp collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2963 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器通过ALFA罗曼罐（Roman Pots）收集的340 μb⁻¹数据，对√s = 13 TeV下的质子-质子弹性散射进行了总截面和ρ参数的高精度测量。通过将测量扩展至|t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²，实现了对Coulomb-核子干涉效应的敏感探测，得到σtot = 104.7 ± 1.1 mb和ρ = 0.098 ± 0.011，其中主要误差来源为亮度和对准不确定性。

ABSTRACT

In a special run of the LHC with $β^\star = 2.5~$km, proton-proton elastic-scattering events were recorded at $\sqrt{s} = 13~$TeV with an integrated luminosity of $340~μ extrm{b}^{-1}$ using the ALFA subdetector of ATLAS in 2016. The elastic cross section was measured differentially in the Mandelstam $t$ variable in the range from $-t = 2.5 \cdot 10^{-4}~$GeV$^{2}$ to $-t = 0.46~$GeV$^{2}$ using 6.9 million elastic-scattering candidates. This paper presents measurements of the total cross section $σ_{ extrm{tot}}$, parameters of the nuclear slope, and the $ρ$-parameter defined as the ratio of the real part to the imaginary part of the elastic-scattering amplitude in the limit $t ightarrow 0$. These parameters are determined from a fit to the differential elastic cross section using the optical theorem and different parameterizations of the $t$-dependence. The results for $σ_{ extrm{tot}}$ and $ρ$ are \begin{equation*} σ_{ extrm{tot}}(pp ightarrow X) = \mbox{104.7} \pm 1.1 \; \mbox{mb} , \; \; \; ρ= \mbox{0.098} \pm 0.011 . \end{equation*} The uncertainty in $σ_{ extrm{tot}}$ is dominated by the luminosity measurement, and in $ρ$ by imperfect knowledge of the detector alignment and by modelling of the nuclear amplitude.

研究动机与目标

• 测量√s = 13 TeV下pp弹性散射中的总强子截面σtot和ρ参数。
• 将弹性散射测量的范围扩展至极小的四momentum转移|t|，低至2.5 × 10⁻⁴ GeV²，以探测Coulomb-核子干涉效应。
• 利用光学定理和对微分截面dσ_el/dt的拟合，结合适当的去卷积和亮度标定，确定σtot和ρ。
• 通过采用数据驱动的对准校正和精确的亮度测定，降低系统误差。

提出的方法

• 测量利用了LHC一次特殊运行期间的数据，此时β* = 2.5 km，以实现较小的束流发散角，从而能够探测在微弧度角范围内的散射质子。
• 弹性散射事例通过ALFA子探测器重建，该探测器用于测量在接近束流管道处以极小角度散射的质子。
• 利用690万个选定事例，在|t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²至0.46 GeV²的范围内，将微分弹性截面dσ_el/dt测量分为38个区间。
• 总截面σtot通过光学定理提取，该定理将微分截面的正向极限与散射振幅的虚部关联起来。
• 通过使用包含散射振幅实部和虚部的参数化形式，对dσ_el/dt分布进行拟合，提取ρ参数。
• 系统误差通过稳定性检验、采用数据驱动方法的对准校正，以及精度达1.1%的亮度标定进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，质子-质子总截面的值是多少？利用弹性散射能够多精确地测量该值？
• RQ2 在√s = 13 TeV下，ρ参数的值是多少？其与σtot的对数上升模型预期值相比如何？
• RQ3 探测器对准和亮度不确定性在小|t|区域对σtot和ρ测量精度的影响程度如何？
• RQ4 在极小|t|区域测得的微分截面在多大程度上反映了Coulomb-核子干涉效应？
• RQ5 与较低质心系能量下的先前测量相比，σtot和ρ的结果如何随能量演化？

主要发现

• 在√s = 13 TeV下，pp弹性散射的总截面测量值为σtot = 104.7 ± 1.1 mb，其不确定性主要来源于亮度标定。
• ρ参数确定为ρ = 0.098 ± 0.011，主要不确定性来源于探测器对准和核子振幅建模的不确定性。
• 微分弹性截面已测量至|t| = 2.5 × 10⁻⁴ GeV²，与以往运行相比，ATLAS测量在|t|范围上扩展了一个数量级。
• 测得的dσ_el/dt分布显示出在小|t|区域的明显上升，与Coulomb-核子干涉效应一致，从而实现了对ρ的精确提取。
• 该分析证明了利用罗曼罐探测器和数据驱动对准技术在LHC上实现高精度弹性散射测量的可行性。
• 结果与先前实验观测到的σtot和ρ随能量的演化趋势一致，但在LHC最高能量下实现了更高的测量精度。