[论文解读] Soft-QCD and UE spectra in pp collisions at very high CM energies (a Snowmass white paper)

Peter Skands|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 6

一句话总结

本雪松会白皮书使用 PYTHIA 6 Perugia 2012 调谐及互补模型，将质子-质子碰撞中的软-QCD 和底层事件（UE）可观测量外推至质心系能量 13–100 TeV。结果预测，随着能量升高，带电轨迹密度和横向能量密度持续增加，关键估计值为：在 100 TeV 时，每单位 ΔηΔφ 的带电轨迹数为 1.8±0.4；在中心区域每 ΔR² 的 ET 为 1.9±0.35 GeV，突显了部分子分布函数（PDFs）和色连接效应带来的不确定性。

ABSTRACT

We make some educated guesses for the extrapolations of typical soft-inclusive (minimum-bias, pileup, underlying-event) observables to proton-proton collisions at center-of-mass energies in the range 13 - 100 TeV. The numbers should be interpreted with (at least) a 10% uncertainty.

研究动机与目标

• 为未来对撞机物理提供软-QCD 和底层事件（UE）可观测量在极高质心系能量（13–100 TeV）下的合理外推。
• 利用经过验证的事件生成器调谐，特别是 PYTHIA 6 Perugia 2012，评估最小截面、堆积分量和 UE 可观测量的标度行为。
• 量化低-x PDF、$p_{\perp 0}$ 正则化尺度和高能外推中色连接效应带来的不确定性。
• 通过与现有 LHC 数据对比，评估不同模型（SIBYLL、QGSJET、EPOS、PHOJET）的表现，以验证外推假设的合理性。
• 通过估算高能下中心区和前向区域的横向能量和轨迹多重性密度，为探测器设计与校准提供指导。

提出的方法

• 使用 PYTHIA 6 Perugia 2012 调谐集，其中包含按 $p_{\perp}$ 排序的多部分子相互作用（MPI）以及基于弦面积定律的非微扰色连接模型。
• 采用 Donnachie-Landshoff 假设的能量标度，其中 $\epsilon \sim 0.08$，将总截面和非弹性截面外推至 100 TeV。
• 通过 ALICE 和 ATLAS 在 7 TeV 下的数据验证预测结果，特别是带电轨迹多重性和横向能量密度。
• 结合多个模型（SIBYLL、QGSJET、EPOS）和不确定性变化（PDF、重整化尺度、红外截断）的结果，估算系统性不确定性。
• 应用来自 Perugia 调谐的 $p_{\perp 0}$ 能量标度，以模拟软 MPI 贡献，其中 $p_{\perp 0}$ 随 $\sqrt{s}$ 增加。
• 使用 TRANSVERSE 区域（相对于喷注的方位角 60°–120°）来定义 UE 的 $p_{\perp}$ 密度，该密度在高能下近似与喷注 $p_{\perp}$ 无关。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 至 100 TeV 的非弹性 pp 碰撞中，中心区带电轨迹多重性如何随质心系能量变化？
• RQ2 在 100 TeV 时，中心探测器区域的预期横向能量密度是多少？与 LHC 在 7 TeV 的测量结果相比如何？
• RQ3 对于 100-GeV 的二喷注，作为 $p_{\perp}$ 密度的底层事件活动如何随能量演化？
• RQ4 低-x PDF 和色连接模型的不确定性在软-QCD 可观测量的高能外推中有多大影响？
• RQ5 现有模型（SIBYLL、QGSJET、EPOS）在多大程度上能再现 LHC 数据？哪些模型可信赖用于外推至 100 TeV？

主要发现

• 对于至少有一条轨迹落在 |η|<1 内的非弹性事件，中心区每单位 ΔηΔφ 的带电轨迹密度估计值为：13 TeV 时为 1.1±0.1，30 TeV 时为 1.33±0.14，100 TeV 时为 1.8±0.4。
• 中心区域（|η|<1）的横向能量密度从 13 TeV 时的 1.0±0.15 GeV 每 ΔR² 上升至 30 TeV 时的 1.25±0.2，100 TeV 时为 1.9±0.35 GeV 每 ΔR²。
• 对于 100-GeV 二喷注，TRANSVERSE 区域（|η|<2.5）的底层事件 $p_{\perp}$ 密度从 900 GeV 时的 2.1 GeV 每 ΔR² 上升至 13 TeV 时的 3.3±0.2 GeV，30 TeV 时为 3.65±0.25 GeV，100 TeV 时为 4.4±0.45 GeV。
• UE 能量密度中仅带电部分的占比约为总密度（中性+带电）的 1.6 倍。
• PYTHIA 6 Perugia 2012 和 PYTHIA 8（调谐 4C）在再现 ALICE 对轨迹多重性增长的测量方面优于旧版调谐或 QGSJET II 和 EPOS 等模型。
• 当前 PYTHIA 模型在前向区域对 UE 活动的模拟最多低估了 1.5 倍，表明在高能下前向区域的建模仍需改进。