[论文解读] Elastic pp scattering and the internal structure of colliding proton

M. V. Lokajíček, V. Kundrát|ArXiv.org|Sep 17, 2009

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种概率模型，将53 GeV下的弹性质子-质子散射解释为两种内部质子结构之间碰撞的叠加，其最大半径分别为1.64 fm和1.42 fm。通过建模与影响参数相关的相互作用概率并拟合微分截面数据，该模型在|t| ∈ (0, 4) GeV²范围内与实验数据高度一致，表明在低动量转移弹性散射中，外围且扩展的质子构型占主导地位，从而挑战了传统光学定理在总截面估算中的应用。

ABSTRACT

Elastic scattering data gained for proton-proton collisions at high energies are being analyzed at the present practically only with the help of purely phenomenological mathematical models. And the question exists whether in the impact parameter plane the elastic processes may be interpreted as central or peripheral. From realistic point of view the peripherality should be preferred and one may expect that nucleon dimensions should manifest in some way in elastic data. It will be demonstrated that the elastic pp data at the energy of 53 GeV in the interval |t| from (0., 4.) [GeV^2] may be interpreted well as the superposition of mutual collisions of two internal structures with maximal external dimensions; the approximate dimensions and frequencies of corresponding structures being established on the basis of measured elastic data.

研究动机与目标

• 探究是否能从高能下的弹性散射数据推断出质子的内部结构——特别是其最大外部尺寸。
• 通过引入基于可变内部质子构型的概率框架，挑战弹性pp散射的传统现象学建模方法。
• 检验外围且扩展的质子结构是否比标准中心散射模型更能解释低|t|弹性数据。
• 通过表明最大概率不发生在t=0处，重新评估光学定理在强子散射中的有效性，从而与其假设相矛盾。

提出的方法

• 该模型假设质子存在两种不同的内部状态，其最大半径分别为b₁ = 1.64 fm和b₂ = 1.42 fm，各自具有概率p₁和p₂。
• 总微分截面被建模为三种碰撞类型p₁²、2p₁p₂和p₂²的加权和，每种类型对应不同的影响参数范围。
• 对于每种碰撞类型j，平均动量转移t被建模为影响参数b的单调递减函数fⱼ(b)，其反函数f̄ⱼ(t)用于将t映射到b。
• 微分截面通过Fⱼ(t) = 2πgⱼ(f̄ⱼ(t)) · df̄ⱼ(t)/dt计算，其中gⱼ(b) = aⱼ(b) · eⱼ(b)表示总相互作用概率与弹性份额的乘积。
• 函数aⱼ(b)和eⱼ(b)通过实验数据进行拟合，其中aⱼ(b)代表总截面贡献，eⱼ(b)代表弹性份额。
• 总截面和弹性截面通过在b上的积分计算：σⱼ = 2π∫b aⱼ(b) db 和 σⱼ^el = 2π∫b aⱼ(b)eⱼ(b) db。

实验结果

研究问题

• RQ1 53 GeV下的弹性pp微分截面能否通过两种具有最大外部尺寸的内部质子结构之间的叠加来解释？
• RQ2 在低|t|下微分截面的观测行为是否支持以外围碰撞机制为主导、由扩展质子构型决定的机制？
• RQ3 在t=0处未出现最大概率，这一现象在多大程度上与强子散射中光学定理的假设相矛盾？
• RQ4 两种主导内部质子结构的最佳拟合半径和概率分别是多少？
• RQ5 基于该模型推导出的总截面和弹性截面与基于光学定理的公认值相比如何？

主要发现

• 该模型在|t| ∈ (0, 4) GeV²范围内与实验测得的弹性微分截面数据高度一致，拟合曲线与实测点紧密吻合。
• 两种主导质子结构的最大半径分别为1.64 fm和1.42 fm，对应于数据中观测到的最大外部尺寸。
• 两种结构的总截面计算值为35.9 mb，显著低于由光学定理推导出的公认值43 mb。
• 该模型计算的弹性截面为7.31 mb，与实验值7.57 mb高度一致。
• t的概率分布未在t=0处达到峰值，与光学定理相矛盾，暗示其在此情境下不成立。
• 电磁相互作用仅对测量截面贡献了很小一部分（r_C），但其在极小值附近的形状因子行为可由内部结构的椭球形解释。