[论文解读] Forward Physics at the LHC

A. D. Martin, M. G. Ryskin+1 more|ArXiv.org|Mar 17, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 17

一句话总结

本文提出了一种包含吸收修正和多 Pomeron 交换的多组分 eikonal 模型，用于预测 LHC 上的软散射可观测量及矢量玻色子的单独产生。该模型引入了 $k_t$-依赖的 Pomeron 组分和增强的双重散射效应，预测在 $√s} = 14$ TeV 时总截面约为 90 mb，且快速度间隙的生存概率可抑制背景，从而通过缺失质量重建实现对 Higgs 玻色子的清晰探测，质量分辨率可达 $∆ M_H ∼ 1-2$ GeV。

ABSTRACT

We review two inter-related topics. First, we consider the behaviour of "soft" scattering observables, such as sigma_{tot}, dsigma_{el}/dt, dsigma_{SD}/dtdM^2, particle multiplicities etc., at high-energy proton-(anti)proton colliders. We emphasize the sizeable effects of absorption on high-energy `soft' processes, and, hence, the necessity to include multi-Pomeron-Pomeron interactions in the usual multi-channel eikonal description. We describe a multi-component model which has been tuned to the available data for soft processes in the CERN-ISR to Tevatron energy range, and which therefore allows predictions to be made for `soft' observables at the LHC. The second topic concerns the calculation of the rate of exclusive processes of the form pp --> p+A+p at high energy colliders, where A is a heavy system. In particular, we discuss the survival probability of the rapidity gaps (denoted by the + signs) to both eikonal and enhanced soft rescattering effects. At the LHC energy, the most topical case is when A is a Higgs boson. At the Tevatron, measurements have been made for the exclusive diffractive production of various systems: A being either gamma-gamma, dijet, or a chi_c meson. We compare the observed rates with the expectations. Finally, we describe how predictions for exclusive processes may be checked in the early runs of the LHC.

研究动机与目标

• 开发一个自洽的、包含吸收修正的软强子相互作用模型，以实现对 LHC 能量下可观测量的精确预测。
• 量化由于在单独特过程（如 $pp \to p + H + p$）中增强的软双重散射而导致的快速度间隙抑制效应。
• 通过 400 m 处的前向质子探测器，利用缺失质量法实现对 Higgs 玻色子质量的精确测量。
• 通过将预测结果与 Tevatron 上关于单独特 $\gamma\gamma$、二胶子喷注和 $\chi_c$ 产生的数据进行比较，验证该模型。
• 为早期 LHC 运行提供可检验的预测，以验证单独特过程的理论框架。

提出的方法

• 采用多通道 eikonal 形式，利用与影响参数相关的不透明度 $\Omega(s,b)$ 描述弹性与非弹性散射。
• 通过完整的三 Regge 图引入多 Pomeron-Pomeron 相互作用，以考虑超越单 Pomeron 交换的吸收修正。
• 引入具有不同横向动量 ($k_t$) 尺度的三组分 Pomeron，以模拟 QCD 动力学中从软到硬的过渡。
• 应用光学定理和幺正性约束，将总截面、弹性截面与非弹性截面与 eikonal 函数 $\Omega(s,b)$ 关联。
• 利用标准 eikonal 和增强双重散射效应（包括部分子中间态）计算快速度间隙的生存概率 $S^2$。
• 通过拟合从 CERN-ISR 到 Tevatron 的数据，对模型参数进行标定，从而实现向 LHC 能量 $√s} = 14$ TeV 的外推。

实验结果

研究问题

• RQ1 吸收修正（特别是多 Pomeron 交换）如何影响高能下总截面与双角截面的预测？
• RQ2 在 LHC 的单独特 Higgs 产生中，快速度间隙的生存概率 $S^2$ 是多少？其如何受增强软双重散射的影响？
• RQ3 Pomeron 组分的 $k_t$-依赖性在多大程度上影响软可观测量（如总截面与粒子多重性）随 $√s}$ 的增长？
• RQ4 该模型能否定量再现 Tevatron 上观测到的单独特产生率，例如 $\gamma\gamma$、二胶子喷注和 $\chi_c$？
• RQ5 在 LHC 上，单独特 Higgs 产生的预期截面与信背比是多少？如何通过前向质子探测器实现测量？

主要发现

• 该模型预测在 $√s} = 14$ TeV 时总截面约为 90 mb，其中软组分由于强屏蔽效应而表现出微弱增长。
• 大 $k_t$（QCD 类似）Pomeron 组分表现出较弱的屏蔽效应和更强的能量增长，对硬可观测量有显著贡献。
• 在单独特 Higgs 产生中，快速度间隙的生存概率 $S^2$ 虽被抑制但并不剧烈——对于 LHC 上的 Higgs 玻色子这类重系统，其数值仍较小。
• 预测单独特 Higgs 产生的截面为 2–3 fb（对应 120 GeV 的标准模型 Higgs 玻色子，$√s} = 14$ TeV），信背比约为 1。
• 该模型成功再现了 Tevatron 上关于单独特 $\gamma\gamma$、二胶子喷注和 $\chi_c$ 产生的数据，为其有效性提供了有力支持。
• 对 HERA 数据的 NLO 拟合表明，低 $x$ 区域的胶子密度呈平坦或下降趋势，意味着 LHC 能量下未达到黑盘区域，从而降低了吸收抑制效应。