[논문 리뷰] Methods to Select Soft Diffraction Dissociation at the LHC

Emily Laura Nurse, S. Sen|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 ATLAS 및 CMS 검출기의 빠른도 갭을 이용해 소프트 비틀림 분해 사건을 선택하는 방법을 평가한다. 빠른도 갭 Δη > 3 및 pT > 200 MeV 조건을 적용하면 98.8%의 비틀림 분해 사건을 선별할 수 있지만, 현재 검출기의 전방 빠른도 커버리지가 제한되어 있음(|η| < 5.2)으로 인해 단일 비틀림 분해(SDD)와 이중 비틀림 분해(DDD)를 구분할 수 없으며, 이로 인해 순수한 SDD 샘플 선별은 현재 검출기 기하구조로는 실현 가능하지 않다.

ABSTRACT

Diffractive events at hadron colliders are typically characterised by a region of the detector without particles, known as a rapidity gap. In order to observe diffractive events in this way, we consider the pseudorapidity acceptance in the forward region of the ATLAS and CMS detectors at the Large Hadron Collider (LHC) and discuss the methods to select soft diffractive dissociation for pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV. We showed that in the limited detector rapidity acceptance, it is possible to select diffractive dissociated events by requiring a rapidity gap in the event, however, it is not possible to distinguish single diffractive dissociated events from double diffractive dissociated events with a low diffractive mass.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 및 CMS 검출기에서 빠른도 갭을 이용해 LHC에서 소프트 비틀림 분해 사건을 선별할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.
• 현재 검출기의 제한된 전방 빠른도 커버리지 내에서 빠른도 갭 기준을 사용해 단일(SDD)과 이중(DDD) 비틀림 분해 사건을 구분할 수 있는지 여부를 결정하기 위해.
• 트래커 및 버텍스 재구성 제한이 비틀림 분해 사건 선별에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• DDD 오염 보정을 피하기 위해 모델 의존성을 최소화하여 비틀림 분해 단면적 측정을 수행하기 위해.
• 검출기 제한으로 인해 SDD 사건을 분리하려는 尝시를 피하고, 직접적으로 포함된 빠른도 갭 단면적을 측정하는 것이 바람직하다고 권고하기 위해.

제안 방법

• √s = 7 TeV에서 비틀림 사건을 모델링하기 위해 PYTHIA 8 및 PYTHIA 6-D6T를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 빠른도 갭을 |η| < 5.2 영역에 입자가 없고, 모든 최종 상태 입자에 대해 pT > 200 MeV 조건을 만족하는 영역으로 정의하였다.
• 모서리 갭(Δη > 3) 기반으로 사건을 분류하고, 이러한 샘플 내에서 SDD 및 DDD 사건의 비율을 측정하였다.
• 분해된 시스템의 진동 질량을 사용해 종량성 운동량 손실 비율(ξ)을 계산하였다: ξ = (MX/√s)².
• PYTHIA 8과 PYTHIA 6-D6T 간의 모델 의존성을 비교하기 위해 dσ/dΔη 및 dσ/dlog₁₀ξ 분포를 분석하였다.
• 특히 저질량의 전방 분해 사건에 대해, |η| < 2.5 영역의 주요 버텍스 재구성의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 및 CMS 검출기의 전방 영역에서 빠른도 갭을 이용해 LHC에서 효과적으로 소프트 비틀림 분해 사건을 선별할 수 있는가?
• RQ2 현재 검출기 수용 범위 내에서 빠른도 갭 기준을 사용해 단일 비틀림 분해(SDD)를 이중 비틀림 분해(DDD)와 어느 정도로 분리할 수 있는가?
• RQ3 제한된 전방 빠른도 커버리지(|η| < 5.2)는 선택된 비틀림 사건 샘플의 순도와 완전성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 주어진 갭 크기에 대한 ξ 값의 모델 의존성은 얼마나 크며, 이는 단면적 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 포괄적인 최소 바이어스 데이터를 보정하여 SDD 사건을 분리하는 것은 실현 가능하거나 바람직한가, 아니면 직접적으로 포함된 빠른도 갭 단면적을 측정하는 것이 더 낫단 말인가?

주요 결과

• |η| < 5.2 영역에서 모든 최종 상태 입자에 대해 Δη > 3의 모서리 갭과 pT > 200 MeV 조건을 요구하면, PYTHIA 8에 따르면 선택된 샘플 중 98.8%가 비틀림 분해 사건임을 확인하였다.
• 높은 순도에도 불구하고 선택된 비틀림 사건의 42.1%가 이중 비틀림 분해(DDD) 사건이므로, 이 방법으로 순수한 SDD 샘플을 선별하는 것은 불가능하다.
• 특정 갭 크기에 대한 ξ 값의 모델 의존성이 뚜렷하며, 특히 작은 갭 크기에서 PYTHIA 8과 PYTHIA 6-D6T 시뮬레이션 간에 차이가 관찰되었다.
• 중앙 갭은 SDD와 DDD를 구분하는 데 덜 효과적이며, DDD 사건 중에서 중앙 갭을 보이는 비율이 매우 낮기 때문이다.
• 트래커 영역(|η| < 2.5)에서의 주요 버텍스 재구성은 매우 낮은 질량의 전방 분해 사건을 억제하므로 비틀림 분해 사건 선별에 실현 가능하지 않다. 특히 큰 갭(Δη > 8)을 가진 사건에서 그러한 현상이 두드러진다.
• 본 연구는 SDD 단면적을 추출하기 위해 포괄적인 최소 바이어스 데이터를 보정하는 것은 모델 의존성이 매우 높아 실현 가능하지 않다고 결론 내렸으며, 대신 직접적으로 포함된 빠른도 갭 단면적을 측정하는 것이 바람직하다고 결론을 내렸다.