[论文解读] "Soft" Hadronic Cross Sections Challenge Hidden Dimensions

M. M. Block, F. Halzen|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文分析了来自LHC和皮埃尔·朱莱克天文台的高能质子-质子及反质子-质子散射数据，表明总截面和弹性截面的饱和度符合Froissart界限，其能量依赖关系为∼ln²s。该分析证实质子表现出渐近黑盘行为，σinel/σtot = 0.509 ± 0.021，排除了会引入s或ln s高阶项的能量依赖关系的额外时空维度的存在。

ABSTRACT

High energy measurements of the inelastic proton-proton cross sections, at the LHC at $\sqrt s$=7 TeV and by Auger at 57 TeV, have validated previous evidence from data collected over a wide range of energies that the total and inelastic cross sections for $pp$ and $\bar pp$ interactions saturate the Froissart bound of $\ln^2 s$. Although the data themselves did not cover truly asymptotic energies, our recent analysis of these data obtained the asymptotic ratio $\sigin/\sigtot=0.509\pm 0.021$, consistent with the value of 1/2 required for scattering by a black disk; further, the forward scattering amplitude became purely imaginary for $s ightarrow \infty$, confirming the black disk interpretation. In addition, the limiting black disk behavior has been independently confirmed by an analysis of Schegelsky and Ryskin including LHC data on the shrinkage of the slope of the forward elastic scattering cross section. Unless one considers these results, emerging from an analytic amplitude analysis of data over an energy range of $6\le \sqrt s\le 57000$ GeV, a complete numerical accident, we rule out any new physics thresholds that contribute higher powers of $\ln s$ or, worse, powers of $s$ to the energy dependence of cross sections {\it at any energy}. This includes theories with additional dimensions of space-time, whose existence is challenged.

研究动机与目标

• 检验高能强子截面是否支持隐藏时空维度的存在。
• 确定总截面与弹性截面的能量依赖性是否与渐近能量下的黑盘模型一致。
• 评估是否存在新物理阈值（如额外维度引起的）隐藏在数据中而不破坏观测到的ln²s行为。
• 使用基于幺正性、解析性及有限能量求和规则的解析振幅技术验证黑盘图像。

提出的方法

• 应用基于幺正性和解析性约束的解析振幅技术，将截面外推至无限能量。
• 使用有限能量求和规则（FESR），基于低至6 GeV的实验数据，约束振幅行为。
• 采用基于R = R₀ ln s的参数化形式拟合总截面与弹性截面，从而在渐近极限下得到σtot = 8πB 与 σinel/σtot = 1/2。
• 将LHC与PAO数据（最高达57 TeV）作为独立检验，未将其纳入拟合过程。
• 通过Schegelsky与Ryskin对核斜率参数B的分析进行交叉验证，该参数衡量散射盘的半径。
• 通过ln²s项的系数评估截面的能量依赖性，将预测值与数据对比，检验是否偏离黑盘行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能下总截面与弹性截面的能量依赖性是否支持渐近黑盘模型？
• RQ2 在高能下观测到的σinel/σtot ≈ 1/2 比例是否可在不引入新物理阈值的情况下得到解释？
• RQ3 时空的隐藏维度是否会在软强子截面的能量依赖性中留下可观测的痕迹？
• RQ4 截面的ln²s行为是否与质子在渐近能量下作为纯粹胶子主导的黑盘解释一致？
• RQ5 即使新时空维度的阈值很高，是否仍可能以与当前数据一致的方式改变截面的渐近行为？

主要发现

• 渐近状态下弹性截面与总截面之比为σinel/σtot = 0.509 ± 0.021，与黑盘预测的1/2一致。
• 在无限能量下，前向散射振幅完全变为虚数，证实了黑盘解释。
• LHC在7 TeV与PAO在57 TeV的测量结果与预测的ln²s行为高度一致。
• TOTEM与Schegelsky-Ryskin分析共同证实核斜率参数B在高能下收缩，独立支持黑盘模型。
• 不存在容纳新物理阈值（如额外维度引起的）的空间，这些阈值会引入s的幂次或更高阶对数项至截面能量依赖性中。
• 在胶子主导与矢量介子主导的解释下，黑盘行为在强子过程（pp、p̄p、πp、Kp、γp）中具有普适性。