[論文レビュー] "Soft" Hadronic Cross Sections Challenge Hidden Dimensions

M. M. Block, F. Halzen|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿はLHCおよびピエール・オーギュール観測所の高エネルギー陽子-陽子および反陽子-陽子散乱データを分析し、全断面積および非弾性断面積がFroissart限界に飽和し、エネルギー依存性が ∼ln²s であることを示している。解析は陽子が漸近的ブラックディスクとして振る舞うことを確認しており、σinel/σtot = 0.509 ± 0.021 である。これは、断面積のエネルギー依存性に s や ln s の高次の項を導入する余次元の存在を排除する。

ABSTRACT

High energy measurements of the inelastic proton-proton cross sections, at the LHC at $\sqrt s$=7 TeV and by Auger at 57 TeV, have validated previous evidence from data collected over a wide range of energies that the total and inelastic cross sections for $pp$ and $\bar pp$ interactions saturate the Froissart bound of $\ln^2 s$. Although the data themselves did not cover truly asymptotic energies, our recent analysis of these data obtained the asymptotic ratio $\sigin/\sigtot=0.509\pm 0.021$, consistent with the value of 1/2 required for scattering by a black disk; further, the forward scattering amplitude became purely imaginary for $s ightarrow \infty$, confirming the black disk interpretation. In addition, the limiting black disk behavior has been independently confirmed by an analysis of Schegelsky and Ryskin including LHC data on the shrinkage of the slope of the forward elastic scattering cross section. Unless one considers these results, emerging from an analytic amplitude analysis of data over an energy range of $6\le \sqrt s\le 57000$ GeV, a complete numerical accident, we rule out any new physics thresholds that contribute higher powers of $\ln s$ or, worse, powers of $s$ to the energy dependence of cross sections {\it at any energy}. This includes theories with additional dimensions of space-time, whose existence is challenged.

研究の動機と目的

• 高エネルギー強子断面積が隠れた時空次元の存在を支持するかを検証すること。
• 全断面積および非弾性断面積のエネルギー依存性が、漸近的エネルギーでブラックディスクモデルと整合するかを特定すること。
• 新しい物理の閾値（たとえば余次元からのもの）が、観測された ln²s 行動を損なわない範囲でデータに隠れているかどうかを評価すること。
• ユニタリティ、解析性、有限エネルギー和則に基づく解析的アーモニクル技術を用いてブラックディスク像を検証すること。

提案手法

• ユニタリティおよび解析性の制約を用いた解析的アーモニクル技術を適用し、断面積を無限エネルギーにまで外挿した。
• 低エネルギーデータ（6 GeV まで）に anchored された有限エネルギー和則（FESR）を用いて、アーモニクルの振る舞いを制約した。
• R = R₀ ln s に基づくパラメータ化を用いて全断面積および非弾性断面積をフィットし、漸近的極限で σtot = 8πB および σinel/σtot = 1/2 を得た。
• LHCおよびPAOデータ（最大57 TeV）を、フィットに含めない独立した予測の妥当性の確認として用いた。
• TOTTENおよびSchegelskyとRyskinの核スロープパラメータ B の分析と一致を確認し、結果を検証した。B は散乱ディスクの半径を測定する。
• ln²s 項の係数を用いて断面積のエネルギー依存性を評価し、予測とデータを比較してブラックディスク行動からの逸脱がないかをテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーにおける全断面積および非弾性断面積のエネルギー依存性は、漸近的ブラックディスクモデルを支持するか？
• RQ2 高エネルギーで観測された σinel/σtot ≈ 1/2 の比は、新しい物理の閾値を導入せずに説明可能か？
• RQ3 隠れた時空次元は、ソフトな強子断面積のエネルギー依存性に検出可能な痕跡を残すか？
• RQ4 断面積の ln²s 行動は、漸近的エネルギーで陽子が純粋にグルーオン支配のブラックディスクとして解釈できるか？
• RQ5 高い閾値を持つ追加の時空次元でさえ、現在のデータと整合する形で断面積の漸近的振る舞いを変える可能性はあるか？

主な発見

• 非弾性断面積と全断面積の漸近的比は σinel/σtot = 0.509 ± 0.021 であり、ブラックディスク予測の 1/2 と整合する。
• 無限エネルギーにおいて前向き散乱振幅は純粋に虚数的になるため、ブラックディスク解釈が確認された。
• LHC（7 TeV）およびPAO（57 TeV）の測定値は、予測された ln²s 行動と非常に良好に一致している。
• TOTEMおよびSchegelsky-Ryskinの分析により、高エネルギーで核スロープパラメータ B が収縮することが確認され、これは独立してブラックディスクモデルを支持する。
• s のべき乗や高次の対数項を導入するような新しい物理の閾値（たとえば余次元からのもの）が、断面積のエネルギー依存性に影響を与える余地はない。
• グルーオン優位性およびベクトルメソン優位性に基づく解釈において、ブラックディスク行動は強子過程（pp, p̄p, πp, Kp, γp）に普遍的である。