[论文解读] Methods to Select Soft Diffraction Dissociation at the LHC

Emily Laura Nurse, S. Sen|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 6

一句话总结

本文评估了在LHC的ATLAS和CMS探测器中利用快速度间隙选择软强子 diffractive dissociation 事件的方法。研究发现，虽然快速度间隙 Δη > 3 且 pT > 200 MeV 可以分离出98.8%的 diffractive 事件，但由于前向快速度覆盖范围有限（|η| < 5.2），该方法无法区分单 diffractive dissociation (SDD) 与双 diffractive dissociation (DDD)，因此在当前探测器几何结构下，难以实现纯 SDD 样本的选择。

ABSTRACT

Diffractive events at hadron colliders are typically characterised by a region of the detector without particles, known as a rapidity gap. In order to observe diffractive events in this way, we consider the pseudorapidity acceptance in the forward region of the ATLAS and CMS detectors at the Large Hadron Collider (LHC) and discuss the methods to select soft diffractive dissociation for pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV. We showed that in the limited detector rapidity acceptance, it is possible to select diffractive dissociated events by requiring a rapidity gap in the event, however, it is not possible to distinguish single diffractive dissociated events from double diffractive dissociated events with a low diffractive mass.

研究动机与目标

• 评估在LHC中利用ATLAS和CMS探测器的快速度间隙选择软强子 diffractive dissociation 事件的可行性。
• 确定在探测器有限的前向快速度覆盖范围内，是否可以利用快速度间隙标准区分单 diffractive dissociation (SDD) 与双 diffractive dissociation (DDD) 事件。
• 评估轨迹器和顶点重建限制对 diffractive 事件选择的影响。
• 通过避免对 DDD 污染进行修正，减少 diffractive 截面测量中的模型依赖性。
• 建议避免尝试分离 SDD 事件，而应直接测量包含快速度间隙的总截面，以应对探测器限制。

提出的方法

• 使用 PYTHIA 8 和 PYTHIA 6-D6T 的蒙特卡洛模拟，在 √s = 7 TeV 条件下建模 diffractive 事件。
• 将快速度间隙定义为在 |η| < 5.2 范围内无粒子存在，并要求所有末态粒子满足 pT > 200 MeV。
• 根据边缘间隙（Δη > 3）对事件进行分类，并测量此类样本中 SDD 和 DDD 事件的比例。
• 利用分裂系统的不变质量计算纵向动量损失的分数（ξ）：ξ = (MX/√s)²。
• 分析 dσ/dΔη 和 dσ/dlog₁₀ξ 的分布，比较 PYTHIA 8 与 PYTHIA 6-D6T 之间的模型依赖性。
• 评估在 |η| < 2.5 范围内主顶点重建对事件选择的影响，尤其针对低质量前向分裂事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS 和 CMS 探测器前向区域的快速度间隙是否可用于有效选择LHC中的软强子 diffractive dissociation 事件？
• RQ2 在当前探测器接受度范围内，利用快速度间隙标准在多大程度上可以区分单 diffractive dissociation (SDD) 与双 diffractive dissociation (DDD) 事件？
• RQ3 有限的前向快速度覆盖范围（|η| < 5.2）如何影响所选 diffractive 样本的纯净度与完整性？
• RQ4 对于给定的间隙大小，从快速度间隙大小估算 diffractive 质量的模型依赖性有多大？这对截面测量有何影响？
• RQ5 是否可行或可取地对包含最小偏差的总数据进行修正以分离出 SDD 事件，还是更优的做法是直接测量包含快速度间隙的总截面？

主要发现

• 要求在 |η| < 5.2 范围内所有末态粒子满足 Δη > 3 的边缘间隙且 pT > 200 MeV 时，根据 PYTHIA 8 模拟，所选样本中 98.8% 的事件为 diffractive dissociation。
• 尽管纯净度很高，但所选 diffractive 事件中仍有 42.1% 属于双 diffractive dissociation (DDD) 事件，因此该方法无法实现纯 SDD 样本的分离。
• 对于给定间隙大小，ξ 值的模型依赖性显著，PYTHIA 8 与 PYTHIA 6-D6T 模拟之间在小间隙区域存在明显差异。
• 中心间隙在区分 SDD 与 DDD 方面效果较差，因为只有极少数 DDD 事件表现出中心间隙。
• 在轨迹器区域（|η| < 2.5）进行主顶点重建对 diffractive 事件选择不切实际，因为它会抑制具有大间隙（Δη > 8）的极低质量前向分裂事件。
• 研究结论认为，由于模型依赖性过高，尝试对包含最小偏差的数据进行修正以提取 SDD 截面不可取；应直接测量包含快速度间隙的总截面。