[论文解读] Diffraction, forward physics and soft QCD results from CMS

R. Ciesielski|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文展示了CMS在7和8 TeV质心系能量下对软强子-强子相互作用的最新测量结果，重点聚焦于弹性散射、前向物理和双部分子散射。利用低堆积因子质子-质子碰撞数据，测量了包括单和双弹性散射截面、伪快度分布、领先粒子和喷注截面，以及双部分子散射的有效截面，发现没有标准蒙特卡罗模型能完全描述数据，特别是在双部分子散射主导区域，这表明需要对Pythia8等事件生成器进行新的调校。

ABSTRACT

We report on the recent CMS measurements of soft hadron-hadron production, including the measurements of inclusive single- and double-diffractive cross sections, as well as the measurement of pseudorapidity distributions, and of the leading charged particle and leading jet cross sections. We present the cross sections for low-pT forward jets production, and production of dijets with large rapidity separation (central-forward, and forward-backward jets). Studies of double parton scattering using four-jet and W+2-jet events, and the cross sections for Drell-Yan with associated jet production are discussed as well. The results, corresponding to the proton-proton center-of-mass energy of 7 or 8 TeV, are compared to predictions of various Monte Carlo models.

研究动机与目标

• 通过测量质子-质子碰撞中包括单和双弹性散射截面，提升对LHC上软强子-强子相互作用的理解。
• 利用伪快度和横向动量分布，研究高多重态事件中领先带电粒子和喷注的动力学。
• 通过四喷注和W+2喷注末态探测双部分子散射（DPS），提取有效DPS截面。
• 利用Drell-Yan和伴随喷注产生过程，检验微扰QCD和非微扰模型在软QCD区域的有效性。
• 通过将数据与Pythia、Herwig++、EPOS和QGSJet-II-04的预测进行比较，对蒙特卡罗事件生成器进行约束和调校。

提出的方法

• 通过CMS探测器中大快速度间隙（LRGs）选择弹性事件，利用-6.6 < η < -5.2区域的CASTOR电磁量能器识别前向LRGs。
• 测量了微分截面作为ξ（质子动量损失）和Δη（中央间隙宽度）的函数，通过背景减法分离单和双弹性散射贡献。
• 利用非标准LHC光学参数（β* = 90 m）结合CMS和TOTEM数据，提取了带电粒子的伪快度分布，将事件分类为非单弹性散射增强（NSD-）和单弹性散射增强（SD-）样本。
• 测量了领先带电粒子和喷注截面作为横向动量阈值（pT,min）的函数，分别在|η| < 2.4和|η| < 1.9范围内积分。
• 通过四喷注和W+2喷注末态研究双部分子散射，利用Δrel pT和ΔS等运动学变量，通过模板拟合将DPS与单部分子散射（SPS）分离。
• 对二μ子横向动量（pT^μμ）的微分Drell-Yan截面进行了测量，与包含初态部分子辐射的MadGraph+Pythia6模拟进行了比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前蒙特卡罗模型在7–8 TeV质子-质子碰撞中对单和双弹性散射过程微分截面的描述能力如何？
• RQ2 在四喷注和W+2喷注末态中，双部分子散射的有效截面（σeff）是多少？与理论预期相比如何？
• RQ3 标准事件生成器在非单弹性散射和单弹性散射增强样本中，对带电粒子伪快度分布的重现程度如何？
• RQ4 初态部分子辐射如何影响Drell-Yan过程伴随喷注产生中软胶子重求和的描述？
• RQ5 数据能否对蒙特卡罗调校参数进行约束，特别是在双部分子散射主导区域？

主要发现

• 作为ξ函数的测量单弹性散射截面最符合Pythia8-MBR模型（ε = 0.08），而Pythia8-4c和Pythia6无法再现其下降行为。
• 作为Δη函数的双弹性散射截面与蒙特卡罗预测总体一致，尤其在伪快度间隙宽度超过3单位时表现良好。
• 在四喷注事件中测得的有效DPS截面为σeff = 21.3+1.2−1.6 mb，显著低于Pythia8-4c默认调校值30.3 mb，表明需要新的调校。
• 在W+2喷注事件中，DPS分数为fDPS = 0.055 ± 0.002（统计）± 0.014（系统），对应σeff = 20.7 ± 0.8（统计）± 6.6（系统）mb，与ATLAS和Tevatron结果一致。
• 包含Drell-Yan过程的二μ子pT^μμ谱在低pT区域因软胶子重求和而上升，由包含初态部分子辐射的模拟良好描述。
• 没有标准蒙特卡罗模型能一致地描述NSD-和SD增强样本中带电粒子的伪快度分布，凸显了当前非微扰建模的局限性。