[論文レビュー] Soft-QCD and UE spectra in pp collisions at very high CM energies (a Snowmass white paper)

Peter Skands|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、PYTHIA 6 Perugia 2012チューニングおよび補足モデルを用いて、陽子-陽子衝突におけるソフト-QCDおよびアンダーリングイベント（UE）観測量を13–100 TeVのセンター・オブ・マスエネルギーにまで外挿している。エネルギーに伴い、チャージドトラック密度および横方向エネルギー密度が増加すると予測されており、100 TeVにおける主な推定値は、ΔηΔφあたり1.8±0.4のチャージドトラック、中央領域におけるΔR²あたり1.9±0.35 GeVのETである。これは、PDFおよびカラーリコネネクションによる不確実性を強調している。

ABSTRACT

We make some educated guesses for the extrapolations of typical soft-inclusive (minimum-bias, pileup, underlying-event) observables to proton-proton collisions at center-of-mass energies in the range 13 - 100 TeV. The numbers should be interpreted with (at least) a 10% uncertainty.

研究の動機と目的

• 将来の加速器物理学に向けた非常に高いセンター・オブ・マスエネルギー（13–100 TeV）におけるソフト-QCDおよびアンダーリングイベント（UE）観測量の教育的外挿を提供すること。
• 特にPYTHIA 6 Perugia 2012を用いた、妥当化されたイベントジェネレータチューニングを用いて、最小バイアス、ピルアップ、およびUE観測量のスケーリング行動を評価すること。
• 高エネルギー外挿において生じる不確実性、特に低x PDF、$p_{\perp 0}$正則化スケール、およびカラーリコネネクション効果の定量的評価。
• 外挿仮定の妥当性を検証するため、既存のLHCデータと比較して、異なるモデル（SIBYLL、QGSJET、EPOS、PHOJET）の性能を評価すること。
• 高エネルギーにおける中央および前方領域の横方向エネルギーおよびトラック多重度密度の推定を通じて、検出器設計およびキャリブレーションを支援すること。

提案手法

• $p_{\perp}$順序付きマルチパートン相互作用（MPI）およびストリング面積則に基づく非摂動的カラーリコネネクションモデルを含む、PYTHIA 6 Perugia 2012チューニングセットを用いる。
• Donnachie-Landshoffのアンザッツを用い、$\epsilon \sim 0.08$としてエネルギースケーリングを行い、100 TeVまで総断面積および非弾性断面積を外挿する。
• 特にチャージドトラック多重度および横方向エネルギー密度に関して、ALICEおよびATLASの7 TeVデータと比較して予測を妥当化する。
• 複数のモデル（SIBYLL、QGSJET、EPOS）および不確実性のバリエーション（PDF、再正則化スケール、IRカットオフ）の結果を組み合わせ、システム的な不確実性を推定する。
• Perugiaチューニングからの$p_{\perp 0}$エネルギースケーリングを用い、ソフトMPI寄与をモデル化する。$p_{\perp 0}$は$\sqrt{s}$に従って増加する。
• 高エネルギーにおいて、ジャケットの$p_{\perp}$にほとんど依存しないことから、ジャケットからの方位角60°–120°の領域（TRANSVERSE領域）を用いてUEの$p_{\perp}$密度を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13–100 TeVの非弾性pp衝突における中央部のチャージドトラック多重度は、センター・オブ・マスエネルギーにどのように依存するか？
• RQ2 100 TeVにおける中央検出器領域の予想される横方向エネルギー密度は何か？ 7 TeVでのLHC測定値と比較するとどうなるか？
• RQ3 100 GeVの二重ジャケットに対して、エネルギーに伴い、アンダーリングイベント活動（TRANSVERSE領域における$p_{\perp}$密度）はどのように変化するか？
• RQ4 低x PDFおよびカラーリコネネクションモデルの不確実性は、ソフト-QCD観測量の高エネルギー外挿にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 既存のモデル（SIBYLL、QGSJET、EPOS）はLHCデータをどの程度正確に再現するか？ 100 TeVへの外挿に信頼できるモデルはどれか？

主な発見

• 非弾性事象で|η|<1に少なくとも1本のトラックが存在する場合、中央部のチャージドトラック密度（ΔηΔφあたり）は、13 TeVで1.1±0.1、30 TeVで1.33±0.14、100 TeVで1.8±0.4と推定される。
• 中央領域（|η|<1）における横方向エネルギー密度は、13 TeVでΔR²あたり1.0±0.15 GeVから、30 TeVで1.25±0.2、100 TeVで1.9±0.35 GeVに増加する。
• 100 GeVの二重ジャケットに対するアンダーリングイベント$p_{\perp}$密度（|η|<2.5）は、900 GeVでΔR²あたり2.1 GeVから、13 TeVで3.3±0.2 GeV、30 TeVで3.65±0.25 GeV、100 TeVで4.4±0.45 GeVに増加する。
• UEエネルギー密度のチャージドのみの寄与は、全密度（中性+チャージド）のおよそ1.6倍低い。
• PYTHIA 6 Perugia 2012およびPYTHIA 8（チューニング4C）は、QGSJET II や EPOS よりもALICEのトラック多重度増加をよりよく再現する。
• 現在のPYTHIAモデルは、前方領域のUE活動を最大で1.5倍程度低く見積もっており、高エネルギーにおける前方領域のモデリング改善が求められる。