[论文解读] First determination of the $ ho $ parameter at $\sqrt{s} = 13$ TeV -- probing the existence of a colourless three-gluon bound state

G. Antchev, P. Aspell+93 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 13

一句话总结

本论文首次报告了LHC上TOTEM实验在$\sqrt{s} = 13$ TeV能量下对$\rho$参数的测量，结果为$\rho = 0.09 \pm 0.01$和$\rho = 0.10 \pm 0.01$，具体取决于不同的假设条件。高精度结果支持了理论模型中预言的质子-质子弹性散射过程中存在无色三胶子束缚态交换的结论，并排除了所有COMPETE分类的模型，同时通过库仑振幅归一化方法实现了新的、独立的总截面测量，结果为$\sigma_{\text{tot}} = 110.3 \pm 3.5$ mb。

ABSTRACT

The TOTEM experiment at the LHC has performed the first measurement at $\sqrt{s} = 13$ TeV of the $ ho$ parameter, the real to imaginary ratio of the nuclear elastic scattering amplitude at $t=0$, obtaining the following results: $ ho = 0.09 \pm 0.01$ and $ ho = 0.10 \pm 0.01$, depending on different physics assumptions and mathematical modelling. The unprecedented precision of the $ ho$ measurement, combined with the TOTEM total cross-section measurements in an energy range larger than 10 TeV (from 2.76 to 13 TeV), has implied the exclusion of all the models classified and published by COMPETE. The $ ho$ results obtained by TOTEM are compatible with the predictions, from alternative theoretical models both in the Regge-like framework and in the QCD framework, of a colourless 3-gluon bound state exchange in the $t$-channel of the proton-proton elastic scattering. On the contrary, if shown that the 3-gluon bound state $t$-channel exchange is not of importance for the description of elastic scattering, the $ ho$ value determined by TOTEM would represent a first evidence of a slowing down of the total cross-section growth at higher energies. The very low-$|t|$ reach allowed also to determine the absolute normalisation using the Coulomb amplitude for the first time at the LHC and obtain a new total proton-proton cross-section measurement $\sigma_{tot} = 110.3 \pm 3.5$ mb, completely independent from the previous TOTEM determination. Combining the two TOTEM results yields $\sigma_{tot} = 110.5 \pm 2.4$ mb.

研究动机与目标

• 首次在质子-质子弹性散射中测量$\sqrt{s} = 13$ TeV下的$\rho$参数。
• 通过散射振幅中$ t $-通道交换检验无色三胶子束缚态存在的可能性。
• 评估$\rho$结果对高能下总截面增长行为的影响。
• 首次在LHC上利用库仑振幅确定弹性散射截面的绝对归一化。
• 提供一种新的、独立的总质子-质子截面测量。

提出的方法

• 利用TOTEM实验在LHC上高精度的前向质子探测技术，测量$\sqrt{s} = 13$ TeV下的弹性散射。
• 基于不同的理论假设和建模方法，从$ t=0 $处核弹性散射振幅实部与虚部之比提取$\rho$参数。
• 将$\rho$测量结果与TOTEM先前在2.76至13 TeV能量范围内的总截面数据相结合，以检验模型的相容性。
• 应用库仑振幅干涉效应，确定弹性截面的绝对归一化，从而实现新的独立$\sigma_{\text{tot}}$测定。
• 利用所得$\rho$值评估其与包含$ t $-通道中无色三胶子束缚态交换的Regge类和QCD基理论模型的相容性。
• 将基于新归一化方法获得的$\sigma_{\text{tot}}$结果与先前TOTEM数据结合，得到更精确的总截面估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\sqrt{s} = 13$ TeV下测得的$\rho$参数是否支持质子-质子散射$ t $-通道中存在无色三胶子束缚态？
• RQ2 TOTEM测得的$\rho$参数是否与包括Regge类和QCD基三胶子交换模型在内的其他理论框架预测一致？
• RQ3 $\rho$值是否能够排除COMPETE合作组分类并发表的所有模型？
• RQ4 若三胶子交换非主导，观测到的$\rho$值是否表明总截面增长在更高能量下趋于减缓？
• RQ5 通过库仑振幅干涉效应，$\sqrt{s} = 13$ TeV下弹性散射截面的绝对归一化值是多少？

主要发现

• 根据建模假设的不同，$\rho$参数被测得为$\rho = 0.09 \pm 0.01$和$\rho = 0.10 \pm 0.01$，这是首次在$\sqrt{s} = 13$ TeV下获得该结果。
• 高精度的$\rho$结果排除了所有COMPETE合作组分类并发表的模型。
• $\rho$值与包含$ t $-通道中无色三胶子束缚态交换的Regge类和QCD基理论框架的预测相容。
• 首次在LHC上利用库仑振幅确定了弹性散射截面的绝对归一化，得到$\sigma_{\text{tot}} = 110.3 \pm 3.5$ mb。
• 将此新结果与先前TOTEM数据结合，得到更精确的总截面为$\sigma_{\text{tot}} = 110.5 \pm 2.4$ mb。
• 结果表明，若三胶子束缚态交换不显著，则$\rho$值将指示总截面增长在更高能量下趋于减缓。