[论文解读] Reference cross section measurements with ALICE in pp and Pb-Pb collisions at LHC

K. Oyama|arXiv (Cornell University)|May 30, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本论文利用ALICE实验的范德梅尔扫描技术，测量了LHC中pp和Pb–Pb碰撞的参考截面。在√s = 7和2.76 TeV下，报告了VZERO（VBAND）和ZDC（ZED, VLN）触发的精确截面，系统不确定性低于6.4%，从而实现了J/ψ产生和核子修改因子等物理分析中绝对截面的精确测定。

ABSTRACT

Cross sections of reference trigger processes were obtained based on beam property measurements in dedicated luminosity calibration experiments (van der Meer scans). These cross-sections are essential for absolute cross section determinations of physics processes. The reference cross sections are presented for pp collisions at two center of mass energies; 2.76 TeV and 7 TeV, and for Pb-Pb collisions at 2.76 TeV together with a discussion of the systematic uncertainty originating from beam intensity and rate measurement uncertainties.

研究动机与目标

• 使用基于束流的亮度校准方法，测定pp和Pb–Pb碰撞中参考触发过程的绝对截面。
• 降低亮度测量中的系统不确定性，以支持ALICE中高精度的物理分析，特别是核子修改因子和J/ψ产生研究。
• 验证不同碰撞体系下范德梅尔扫描中触发稳定性和速率性能的长期有效性。
• 量化并分配来自束流强度、速率测量、亮度衰减以及扫描间差异的系统不确定性。
• 提供LHC能量下A–A、p–A和pp碰撞中绝对截面测量所必需的参考截面。

提出的方法

• 采用范德梅尔扫描方法，测量触发速率对束流分离度的依赖关系，从而提取有效束流尺寸和截面。
• 测量触发速率（R_trig）随束流分离度的变化，通过σ_trig = R_trig / L（L为亮度）推导出截面。
• 系统不确定性来自束流强度校准（DCCT）、鬼电荷修正、长度尺度校准、亮度衰减以及扫描间差异。
• 利用逐 bunch 速率测量评估包含速率与精确截面计算之间的差异，当数据有限时，系统不确定性设定为2%。
• 对速率测量中的背景水平进行建模，并估算其对截面不确定性的影响，估计值低于1%。
• 统计不确定性可忽略不计；系统不确定性占主导地位，ZED的总不确定性为5.2–6.4%，VLN为3.1–5.3%。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用ALICE VZERO探测器，pp碰撞在√s = 7 TeV和2.76 TeV下的参考截面精度如何？
• RQ2 使用ZDC触发，Pb–Pb碰撞在√s_NN = 2.76 TeV下电磁核 dissociation 的参考截面是多少？
• RQ3 来自束流强度、鬼电荷和亮度衰减的系统不确定性如何影响最终的截面值？
• RQ4 扫描间差异和背景水平在总不确定性中占多大程度？
• RQ5 VLN触发截面与中心强子Pb–Pb碰撞的预期值相比如何？

主要发现

• 在7 TeV下，pp碰撞中VZERO VBAND截面测量值为54.34 ± 1.90 mb（系统不确定性），相对不确定性为1.9%。
• 在2.76 TeV下，VZERO VBAND截面为47.67 ± 0.88 mb，系统不确定性为0.88%，适用于高精度pp物理研究。
• 在2.76 TeV下，基于ZDC的ZED截面为371.4+23.8/-19.3 mb（系统不确定性），总不确定性为5.2–6.4%。
• 中心Pb–Pb碰撞中VLN触发截面为4.10+0.22/-0.13 barn，与基于核尺寸和触发效率的预期值高度一致。
• 系统不确定性主要来自DCCT校准（2.7%）和鬼电荷修正（最高达4.4%），亮度衰减和扫描间差异分别贡献2%和1%。
• 统计不确定性可忽略不计，系统不确定性完全主导总不确定性预算。