[论文解读] Elastic Scattering at the LHC

A. Donnachie, P. V. Landshoff|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2011

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 4被引用 26

一句话总结

本文提出，为解释LHC的TOTEM实验弹性散射数据，必须引入能量依赖性为~s^0.36的硬- pomeron贡献，从而改进总截面的预测。基于Regge理论的eikonal模型，结合单次和双次Regge交换，包括胶子三重交换以解释凹陷结构，作者拟合了pp、p̄p和HERA数据，表明硬- pomeron能更好地符合7 TeV TOTEM测量结果，并将LHC在14 TeV下的总截面预测值提高至113±5 mb。

ABSTRACT

The first data from the TOTEM experiment agree well with Regge theory, and demand a hard-pomeron contribution.

研究动机与目标

• 确定是否需要引入能量依赖性为~s^0.36的硬- pomeron贡献，以解释LHC TOTEM实验的弹性散射数据。
• 通过引入新数据和理论约束，改进LHC总截面的预测。
• 检验Regge理论与pp、p̄p及HERA数据（包括小-x结构函数）的一致性。
• 评估多重交换及胶子三重交换在建模弹性散射中凹陷结构中的作用。
• 通过引入软- pomeron与硬- pomeron并施加参数约束，改进强子-强子散射的理论模型。

提出的方法

• 采用基于Regge理论的eikonal模型，包含四条Regge轨迹：硬- pomeron（ε₀ ≈ 0.36）、软- pomeron（ε₁ ≈ 0.093）、f₂/a₂（ε₂ ≈ -0.36）和ρ/ω（ε₃ ≈ -0.533）。
• 应用eikonal表示式 A(s,t) = 2is ∫ d²b e^(-iq·b) (1 - e^(-χ(s,b)))，其中 χ(s,b) 通过单次和双次交换建模。
• 引入与 λ × (χ_S(s,b))² 成比例的双次交换项，其中 λ 调整以重现 √s = 30.54 GeV 时pp弹性散射中的凹陷结构。
• 将胶子三重交换表示为实数项 t^{-4}（C = 3.4 GeV⁻⁴），并在小t区域平滑过渡至另一形式，以保持凹陷结构。
• 利用幂律形式 (1/x)^εᵢ 拟合深度非弹性散射数据 F₂(x,Q²)，其中 f₀(Q²) 与DGLAP兼容，并与HERA数据匹配。
• 同时拟合总截面（pp、p̄p）、弹性微分截面以及 x < 0.001 条件下的 F₂(x,Q²)，以约束所有参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否需要引入能量依赖性为 ε₀ ≈ 0.4 的硬- pomeron贡献，以解释TOTEM在7 TeV下的弹性散射数据？
• RQ2 是否能通过包含单次和双次交换（含胶子三重交换）的Regge模型，重现30.54 GeV时pp弹性散射中的凹陷结构？
• RQ3 结合HERA数据是否支持硬- pomeron幂次 ε₀ 小于先前基于H1与ZEUS单独数据估算的值？
• RQ4 引入硬- pomeron在多大程度上改善了LHC总截面的预测精度？
• RQ5 截断至最多两次交换（n ≤ 2）的eikonal模型在多大程度上满足幺正性约束？

主要发现

• 引入 ε₀ = 0.362 的硬- pomeron贡献，显著提升了与TOTEM在7 TeV下弹性散射数据的符合度。
• 在 √s = 14 TeV 下预测的总截面被精炼为 113 ± 5 mb，该结果同时包含硬- pomeron，并与TOTEM在7 TeV下测得的98.3 mb结果一致。
• 通过设定 λ = 0.440 和 t₀ = 5.4 GeV²，模型成功再现了30.54 GeV时pp弹性散射中的凹陷结构。
• 硬- pomeron幂次 ε₀ 比早期基于H1与ZEUS单独数据估算的值小10–20%，支持 ε₀ ≈ 0.36 的取值。
• 在 b = 0 处，模型对幺正性的违反为4.5%，表明截断eikonal近似存在局限性。
• 在小x区域对 F₂(x,Q²) 的拟合与DGLAP演化一致，验证了使用 (1/x)^ε₀ 形式描述硬- pomeron贡献的合理性。