[论文解读] Measurement of energy flow, cross section and average inelasticity of forward neutrons produced in $\mathrm{\sqrt{s} = 13 TeV}$ proton-proton collisions with the LHCf Arm2 detector

O. Adriani, E. Berti+21 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 37被引用 1

一句话总结

本论文首次利用LHCf Arm2探测器在LHC上测量了13 TeV质子-质子碰撞中前向中子的总微分产生截面、能量流和平均非弹性度。数据基于0.194 nb⁻¹的积分亮度收集，揭示了主流强子相互作用模型（QGSJET II-04、SIBYLL 2.3、EPOS-LHC）与实验结果之间存在显著差异，尤其是在最前向伪快度区域（η > 10.75），其中没有任何模型能再现数据；而EPOS-LHC在较不前向区域表现出最佳整体一致性。

ABSTRACT

In this paper, we report the measurement of the energy flow, the cross section and the average inelasticity of forward neutrons (+ antineutrons) produced in $\sqrt{s} = 13$ TeV proton-proton collisions. These quantities are obtained from the inclusive differential production cross section, measured using the LHCf Arm2 detector at the CERN Large Hadron Collider. The measurements are performed in six pseudorapidity regions: three of them ($\eta > 10.75$, $8.99 < \eta < 9.21$ and $8.80 < \eta < 8.99$), albeit with smaller acceptance and larger uncertainties, were already published in a previous work, whereas the remaining three ($10.06 < \eta < 10.75$, $9.65 < \eta < 10.06$ and $8.65 < \eta < 8.80$) are presented here for the first time. The analysis was carried out using a data set acquired in June 2015 with a corresponding integrated luminosity of $\mathrm{0.194~nb^{-1}}$. Comparing the experimental measurements with the expectations of several hadronic interaction models used to simulate cosmic ray air showers, none of these generators resulted to have a satisfactory agreement in all the phase space selected for the analysis. The inclusive differential production cross section for $\eta > 10.75$ is not reproduced by any model, whereas the results still indicate a significant but less serious deviation at lower pseudorapidities. Depending on the pseudorapidity region, the generators showing the best overall agreement with data are either SIBYLL 2.3 or EPOS-LHC. Furthermore, apart from the most forward region, the derived energy flow and cross section distributions are best reproduced by EPOS-LHC. Finally, even if none of the models describe the elasticity distribution in a satisfactory way, the extracted average inelasticity is consistent with the QGSJET II-04 value, while most of the other generators give values that lie just outside the experimental uncertainties.

研究动机与目标

• 测量LHC中13 TeV质子-质子碰撞下前向中子的总微分产生截面。
• 测定前向中子的能量流和平均非弹性度，以改进广延空气簇射模拟。
• 将主流强子相互作用模型（QGSJET II-04、SIBYLL 2.3、EPOS-LHC）与高精度前向中子数据进行对比，以检验其性能。
• 通过提供空气簇射模拟的精确校准数据，减少超高能宇宙射线（UHECR）质量组成测量中的系统不确定性。
• 解决当前用于宇宙射线空气簇射模拟的强子相互作用模型在高能区缺乏校准数据的问题。

提出的方法

• 利用CERN大型强子对撞机上的LHCf Arm2探测器，测量13 TeV p-p碰撞中的前向中性强子。
• 分析2015年6月收集的0.194 nb⁻¹积分亮度数据集。
• 在六个伪快度区域测量了总微分产生截面，包括三个此前未发表的区域（10.06 < η < 10.75、9.65 < η < 10.06、8.65 < η < 8.80）。
• 通过运动学重建和去卷积技术，从测量的截面中提取能量流和平均非弹性度。
• 将结果与四种强子相互作用模型的预测进行比较：QGSJET II-04、SIBYLL 2.3、EPOS-LHC和QGSJET II-03。
• 将统计不确定性和系统不确定性进行平方和开方运算，以报告每个截面区间上下限的不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前强子相互作用模型在多大程度上能再现13 TeV p-p碰撞中前向中子的总微分产生截面？
• RQ2 在最前向伪快度区域（η > 10.75）中，前向中子的测量能量流和平均非弹性度是多少？
• RQ3 哪种强子相互作用模型在整个伪快度范围内与测量的中子截面具有最佳整体一致性？
• RQ4 测量的中子能量分布和非弹性度值在多大程度上挑战了对高能强子碰撞中前向重子产生机制的现有理解？
• RQ5 模型与数据之间的差异在多大程度上影响了UHECR实验中用于宇宙射线空气簇射模拟的可靠性？

主要发现

• 在最前向区域（η > 10.75），任何测试的强子相互作用模型均无法再现前向中子的总微分产生截面，表明当前模拟在该动量空间区域存在显著失败。
• 在较不前向区域（8.65 < η < 8.80 至 10.06 < η < 10.75），EPOS-LHC与测量截面的整体一致性最佳，尤其在能量流分布方面表现突出。
• 在8.80 < η < 8.99区域，SIBYLL 2.3与数据的一致性最佳；而在8.99 < η < 9.21和10.06 < η < 10.75区域，EPOS-LHC表现最佳。
• 前向中子的平均非弹性度测量值与QGSJET II-04预测值一致，而其他大多数模型在实验不确定度范围内则高估或低估该值。
• 在8.65 < η < 8.80和8.80 < η < 8.99区域，测量的能量流和截面分布与EPOS-LHC的一致性优于SIBYLL 2.3或QGSJET II-04。
• 在10.75 < η < 11.00区域，所有模型均无法描述截面分布，揭示了显著差异，表明高能p-p碰撞中前向重子产生的建模仍需改进。