[论文解读] Charm production in SIBYLL

R. Engel, Anatoli Fedynitch+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文介绍了 SIBYLL 2.3rc1，即 SIBYLL 强子相互作用模型的更新版本，该版本已根据 LHC 数据进行标定，并扩展了胶子底夸克产生过程的唯象学模型。该模型通过结合微扰和非微扰的胶子底夸克产生机制，改进了大气μ子和中微子通量的预测，其中非微扰贡献在前向方向占主导地位，尽管实验约束有限，仍显著影响高能轻子通量。

ABSTRACT

SIBYLL 2.1 is an event generator for hadron interactions at the highest energies. It is commonly used to analyze and interpret extensive air shower measurements. In light of the first detection of PeV neutrinos by the IceCube collaboration the inclusive fluxes of muons and neutrinos in the atmosphere have become very important. Predicting these fluxes requires understanding of the hadronic production of charmed particles since these contribute significantly to the fluxes at high energy through their prompt decay. We will present an updated version of SIBYLL that has been tuned to describe LHC data and extended to include the production of charmed hadrons.

研究动机与目标

• 通过将 SIBYLL 事件生成器与 LHC 数据进行标定，特别是针对高能质子-质子相互作用，以改进其性能。
• 扩展模型以包含粲强子的产生，这对于预测即时大气μ子和中微子通量至关重要。
• 通过开发一种包含微扰和非微扰贡献的唯象学模型，解决大 $x_L$ 胶子底夸克产生过程缺乏实验约束的问题。
• 评估前向胶子底夸克产生对大气轻子总通量的影响，特别是在 IceCube 观测到的 PeV 中微子背景下的意义。
• 量化由于当前胶子底夸克产生测量的相空间覆盖有限，导致的大气轻子通量预测中的不确定性。

提出的方法

• 通过缩小硬部分子的横向分布函数，更新了非弹性质子-质子截面，以减少高能区的过估计，使其与 TOTEM 测得的 73.5 mb 一致。
• 软截面参数化重新拟合了 LHC 数据，包括 $\bar{p}$-p 和 p-p 测量结果，并扩展至介子-核子相互作用。
• 引入了一种新的胶子底夸克产生模型，其微扰部分基于 MRS 计算，非微扰部分用于描述对撞机无法探测的前向产生过程。
• 引入了能量依赖的 $p_\perp$ 截断，用于最小喷注，以考虑部分子密度饱和效应，避免出现物理上不合理的多重性尾部。
• 扩展了碎片化模型，以增强重子对的产生，从而改善与 LHC 上重子多重性测量结果的一致性。
• 通过将 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时 D 介子的加权能量谱与 MRS 微扰计算结果对比，对模型进行了验证，归一化点设在 $x_F = 0.19$。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过 LHC 数据更新 SIBYLL 模型，以更准确地描述高能质子-质子相互作用？
• RQ2 包含胶子底夸克产生后，对大气μ子和中微子通量预测的改进程度如何？
• RQ3 微扰与非微扰胶子底夸克产生对前向轻子通量的相对贡献是什么？
• RQ4 当前 LHC 测量在多大程度上约束了前向胶子底夸克产生区域？这对大气轻子通量预测有何影响？
• RQ5 由于大-$x_{\rm L}$ 胶子底夸克产生相空间覆盖有限，导致的大气轻子通量预测不确定性有多大？

主要发现

• 通过缩小硬部分子的横向分布，SIBYLL 2.3rc1 模型在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时将非弹性 $p$-$p$ 截面降低至 73.5 mb，与 TOTEM 测量结果一致。
• 模型的微扰胶子底夸克部分在 $x_F = 0.19$ 处与 MRS 解析计算结果高度一致，验证了其微扰基础的可靠性。
• 非微扰胶子底夸克产生在前向区域（$x_{\rm L} \gtrsim 0.5$）占主导地位，尽管缺乏直接实验约束，仍对高能大气轻子通量有显著贡献。
• 在 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时，LHCb 探测器仅覆盖前向胶子底夸克产生贡献的约 10% 的 $Z_{pD}$，凸显了当前相空间覆盖的局限性。
• 模型预测表明，大气轻子通量对前向胶子底夸克产生最为敏感，而该区域目前尚未被实验或理论充分约束。
• 未来工作将探索能最大化或最小化前向胶子底夸克产额的参数集，同时保持与数据一致，以量化大气通量预测中的不确定性。