[论文解读] Measurement of the proton-proton total, elastic, inelastic and diffractive cross sections at 2, 7, 8 and 57 TeV

N. Cartiglia|arXiv (Cornell University)|May 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 8

一句话总结

本文利用 ALICE、ATLAS、CMS 和 TOTEM 实验的数据，对质子-质子在质心系能量为 2、7、8 和 57 TeV 下的总截面、弹性截面、非弹性截面以及双色散截面进行了全面分析。结果表明，总截面随能量呈 ln²(s) 依赖关系，支持双 Pomeron 模型，并表明软 QCD 过程具有显著贡献，其主导机制为 Pomeron 交换，截距 Δ ≈ 0.08。

ABSTRACT

The measurement of the total $pp$ cross section and its various sub-components (elastic, inelastic and diffractive) is a very powerful tool to understand the proton macro structure and fundamental QCD dynamics. In this contribution I first provide a theoretical introduction to the topic, then a summary of the experimental techniques and finally I review the new results from AUGER and LHC experiments.

研究动机与目标

• 测量多个 LHC 能量下质子-质子的总截面、弹性截面、非弹性截面及双色散截面。
• 利用高能 pp 散射数据，检验软 QCD 动力学的理论模型，特别是 Regge 理论和 Pomeron 交换模型。
• 通过整合新的 LHC 数据和宇宙射线测量，解决总截面外推中的分歧。
• 评估蒙特卡洛事件生成器与新实验结果的一致性，特别是对低质量末态的描述。

提出的方法

• 采用包含 s⁻⁰.⁵ 和 ln²(s) 项的双 Pomeron 模型，对总截面和非弹性截面进行经验参数化。
• 应用 Regge 理论描述高能散射，重点研究截距为 Δ = 1 + Δ、斜率为 α′ 的 Pomeron 交换。
• 通过前向质子探测（TOTEM）、高多重性追踪（ALICE）以及双色散事件重构（CMS）从探测器数据中提取截面。
• 将实验结果与 GLM、Durham 和 COMPETE 等理论模型进行比较，采用卡方拟合方法处理能量依赖数据。
• 利用光学定理将总截面与前向散射振幅的虚部关联起来。
• 基于测量的 M_X 分布，将单色散和双色散截面外推至 √s = 14 TeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 2 到 57 TeV，质子-质子总截面如何随质心系能量演化？这对软 QCD 动力学有何启示？
• RQ2 当前理论模型，特别是双 Pomeron 模型，在 LHC 能量下对测量的总截面和非弹性截面的重现程度如何？
• RQ3 双色散过程对总截面的贡献有多大？实验结果与模型预测在 √s = 14 TeV 下的对比如何？
• RQ4 为何某些蒙特卡洛事件生成器无法再现测量的低质量末态产额？这对其基本假设意味着什么？
• RQ5 不同模型中 Pomeron 截距 Δ 和斜率 α′ 的取值如何变化？它们揭示了 Pomeron 的何种本质特征？

主要发现

• 在双 Pomeron 模型下，√s = 14 TeV 时质子-质子总截面预测值为 120–160 mb，与 ln²(s) 能量依赖关系一致。
• Pomeron 轨迹的截距为 Δ ≈ 0.08，最佳拟合模型显示 α′ ≈ 0.028–0.22，具体取决于方法选择。
• 在 √s = 14 TeV 时，单色散截面 σ_SD(pp) 的预测值在 10.8 mb（GLM1）至 18.8 mb（Durham 11）之间，CMS 和 TOTEM 的外推结果约为 9–11 mb。
• 在 √s = 14 TeV 时，双色散截面 σ_DD(pp) 的范围为 4.8 mb（Ost）至 17.6–18.8 mb（Durham 11），表明模型依赖性显著。
• CDF 在 1.8 TeV 下测得的 σ(p̄p)_Tot = 80.0 ± 2.2 mb 现被认为比早期值更可靠，得到更新的双 Pomeron 拟合支持。
• 常见蒙特卡洛模型对低质量末态的描述存在系统性低估，表明需对其软 QCD 和双色散过程的处理方式进行修正。