[论文解读] Diffractive cross sections and event final states at the LHC

K. Goulianos|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2010

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于单 diffractive 中饱和效应的唯象模型，用于描述 LHC 能量下至 $\sqrt{s} = 14$ TeV 的 $pp$ 和 $\bar{p}p$ 碰撞中的 diffractive 截面与末态。该模型采用重整化模型描述多间隙 diffractive 过程，并利用饱和的 Froissart 界限预测总截面，得到 $\sigma_{\text{tot}}^{14\text{TeV}} = 109 \pm 12$ mb，与全局拟合结果高度一致。

ABSTRACT

We discuss a phenomenological model that describes results on diffractive pp and pbar-p cross sections and event final states up to the Fermilab Tevatron collider energy of 1.96 TeV and use it to make predictions for Large Hadron Collider (LHC) collision energies up to 14 TeV and asymptotically as the pp collision energy goes to infinity. The model is anchored in a saturation effect observed in single diffraction dissociation that explains quantitatively the factorization breaking observed in soft and hard pp and pbar-p diffractive processes and in diffractive photoproduction and low Q-square deep inelastic scattering.

研究动机与目标

• 解决现有 Monte Carlo 生成器（PYTHIA、PHOJET）在更高 LHC 能量下无法准确描述 diffractive 过程的问题。
• 为从固定靶到 LHC 能量范围内的 diffractive 末态构建一个稳健、能量鲁棒的模拟框架。
• 通过单 diffractive 分解中的饱和机制，解释软与硬 diffractive 过程中的因子化破坏现象。
• 提供从 $\sqrt{s} = 14$ TeV 到渐近能量范围内的总截面与微分截面的预测模型。

提出的方法

• 使用重整化模型（R-model）描述 diffractive 过程的 $d^2\sigma/d\xi dt$，其基础为单 diffractive 中观测到的饱和效应。
• 应用饱和的 Froissart 界限：$\sigma_t(s) = (\pi/s_o) \cdot \ln^2(s/s_F)$，其中 $s_F = 22$ GeV，$s_o$ 由 CDF 数据提取。
• 利用光学定理与色散关系，结合低能全局拟合，确定前向振幅的实部与虚部。
• 通过“嵌套”机制建模多间隙末态，其中粒子产生发生在由间隙限定的快速度区域内。
• 使用从包含部分子分布函数（PDFs）与 QCD 色因子导出的归一化微分多间隙截面，引入与间隙数量无关的 $s^{2\epsilon}$ 重整化因子。
• 从 $pp \to X$ 非弹性碰撞出发，构建 Monte Carlo 算法，利用上述输入在全能量尺度上稳健模拟末态。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过唯象模型解释在软与硬 $pp$ 和 $\bar{p}p$ diffractive 过程中观测到的因子化破坏现象？
• RQ2 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 时，总截面与 diffractive 截面的行为如何？与现有全局拟合结果相比有何差异？
• RQ3 多间隙 diffractive 过程能否作为探测 QCD 动力学的工具，且不受快速度间隙抑制的影响？
• RQ4 标准 Monte Carlo 生成器为何在更高能量下失效？其模拟框架如何改进？

主要发现

• 预测的 $\sqrt{s} = 14$ TeV 时总截面为 $109 \pm 12$ mb，与全局拟合值 $114 \pm 5$ mb 一致。
• 模型预测 $\sqrt{s} = 7$ TeV 时 $\sigma_{\text{tot}} = 98 \pm 8$ mb，与 LHC 数据预期相符。
• 重整化模型中的 $s^{2\epsilon}$ 因子确保多间隙截面与间隙数量无关，从而实现稳健模拟。
• 单 diffractive 分解中的饱和效应可定量解释软与硬 diffractive 过程中的因子化破坏现象。
• 模型对 $d^2\sigma/d\xi dt$ 与总截面的预测基于 Tevatron 实验数据与 QCD 原理。
• 该框架实现了从固定靶到对撞机能量范围内 diffractive 过程的统一模拟，包括多间隙末态。