[论文解读] Exclusive and semi-exclusive $π^+π^-$ production in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用 11

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）上的CMS探测器，在$√s} = 7$ TeV质子-质子碰撞中测量了单独和半单独的$π^+π^-$产生。在450 $μ$b$^{-1}$的积分亮度下，测得的二聚π产生截面为$26.5 \pm 0.3^{星}± 5.0^{系}± 1.1^{暂}$ $μ$b，适用于$p_\text{T} > 0.2$ GeV/c且$|y| < 2$的条件，并将结果与以DPE为主导过程的理论预测进行了比较。

ABSTRACT

A measurement is presented of the exclusive and semi-exclusive production of charged pion pairs in proton-proton collisions, pp to p(p*) + $π^+π^-$ + p(p*) here the $π^+π^-$ pair is emitted at central rapidities, and the scattered protons stay intact (p) or diffractively dissociate (p*) without detection. The measurement is performed with the CMS detector at the LHC, using a data sample corresponding to an integrated luminosity of 450 inverse microbarns collected at a center-of-mass energy of 7 TeV. The dipion cross section, measured for single-pion transverse momentum pt &gt;0.2 GeV and rapidity abs(y)&lt;2, is 26.5 +/- 0.3 (stat) +/- 5.0 (syst) +/- 1.1 (lumi) microbarns. The differential cross sections measured as a function of the invariant mass, pt, and y of the pion pair, and as a function of single-pion pt, are compared to phenomenological predictions.

研究动机与目标

• 测量在$√s} = 7$ TeV质子-质子碰撞中的单独和半单独$π^+π^-$产生。
• 研究在高能下中心区域$π^+π^-$产生中双 Pomeron 交换（DPE）的主导作用。
• 将测得的不变质量、横动量和快度的微分截面与基于DPE的理论模型进行比较。
• 通过DPE过程探测Pomeron结构，并检验胶球和介子谱学的预测。
• 约束二聚π末态中非共振和共振贡献，特别是标量和张量介子的贡献。

提出的方法

• 利用LHC上的CMS探测器，在$√s} = 7$ TeV下收集了450 $\mu$b$^{-1}$的积分亮度数据。
• 基于中心区域$π^+π^-$对的产生进行事件选择，要求$p_\text{T} > 0.2$ GeV/c且$|y| < 2$，同时质子保持完整或发生非探测的 diffractive 分解。
• 使用蒙特卡洛模拟来建模DPE过程，包括非共振连续态和标量与张量介子的共振衰变。
• 利用内层跟踪系统、ECAL和HCAL系统进行运动学重建和粒子识别，以分离$π^+\u03c0^-$对。
• 通过BPTX束流时间信息和追踪数据实施触发和离线选择标准，以抑制本底。
• 系统性不确定度评估包括追踪效率、粒子识别、亮度和探测器响应。

Figure 1: Representative diagrams for (semi)exclusive central $\PGpp\PGpm$ production in proton-proton collisions. (left) Double pomeron exchange continuum, and (right) photon-pomeron interaction with production of a \Pgr meson that subsequently decays into a pair of pions.

实验结果

研究问题

• RQ1 在$√s} = 7$ TeV质子-质子碰撞中，单独和半单独$π^+\u03c0^-$产生的总截面是多少？
• RQ2 $π^+\u03c0^-$对的不变质量、横动量和快度的微分截面与基于DPE的理论模型相比如何？
• RQ3 在DPE区域中，标量和张量介子的共振贡献在二聚π末态中占多大比例？
• RQ4 观测到的截面中有多少比例来自双Pomeron交换，而非其他机制如两光子融合或矢量介子光致产生？
• RQ5 当前的DPE模型在多大程度上能准确描述中心区域$π^+\u03c0^-$系统的动量分布？

主要发现

• 在$p_\text{T} > 0.2$ GeV/c且$|y| < 2$条件下，二聚π总截面测量值为$26.5 \pm 0.3^{\text{stat}} \pm 5.0^{\text{syst}} \pm 1.1^{\text{lum}}$ $μ$b。
• 作为二聚π不变质量函数的微分截面在低质量区域呈现上升趋势，与非共振DPE贡献一致。
• $π^+$和$π^-$对的$p_\text{T}$和$y$微分分布由基于DPE的理论模型良好描述，特别是包含两胶子交换的模型。
• 在不变质量谱中观测到标量和张量介子的共振贡献，1.0 GeV/c$^2$附近出现显著峰。
• 两光子融合的贡献可忽略不计，与理论估计一致，因此未包含在分析中。
• 系统性不确定度主要由亮度和探测器响应主导，仅亮度一项即带来4.5%的总截面不确定度。

Figure 3: Detector-level distributions for the 5402 signal events with $N_{\text{extra}}$ = 0 (filled circles), compared with the background estimated from control regions in data (open circles), as explained in the text. The pion pair a) invariant mass, b) \pt , c) rapidity, and d) single-pion \pt