Inelastic, non-diffractive and diffractive proton-proton cross-section measurements at the LHC

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2776-1
Title: Inelastic, non-diffractive and diffractive proton-proton cross-section measurements at the LHC
Author: Welti, Jan
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
University of Helsinki, Faculty of Science, Helsinki Institute of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The energy dependence of the rates and cross-sections of proton-proton interactions is of high importance both for collider physics and astroparticle physics. These quantities cannot be calculated from perturbative quantum chromodynamics, which has led to the development of several different models and parametrisations, and further measurements are needed to improve them and to test their validity. The inelastic rate for proton-proton interactions was measured at 2.76, 7 and 8 TeV center of mass energies using the T1 and T2 detectors of the TOTEM experiment at the LHC. Total and inelastic cross-sections were obtained using the Optical Theorem and measuring the inelastic and elastic rates simultaneously. The inelastic cross-sections 62.8 ± 2.9 mb at 2.76 TeV, 72.9 ± 1.5 mb at 7 TeV and 74.7 ± 1.7 mb at 8 TeV, show an increase of the cross-sections as a function of energy as expected. The inelastic cross-section at 7 TeV was also measured using an alternative method based on the CMS luminosity to determine the cross-section from the inelastic rate, with no measurement of the elastic part needed. The result 73.7 ± 3.4 mb is compatible with the luminosity independent measurement. The cross-section obtained requiring particles in the instrumented region |η|≤ 6.5 was 70.5 ± 2.9 mb. Using this and a measurement of the full inelastic cross-section based on elastic scattering, which contains no assumptions about low mass diffraction, an upper limit for low mass diffraction with all final state particles at |η|> 6.5 of ≤ 6.31 mb was obtained at 95 % confidence level. Likewise, the cross-sections of the individual inelastic processes, most importantly non-, single and double diffractive, cannot be calculated from first principles, but are of high importance for further improvements of the models and the modelling of cosmic air showers. They are difficult to measure since the differences in the experimental signatures between different processes can be small, even identical, in some parts of the phase space. A good detector coverage is therefore essential and the cross-sections are most efficiently determined from the data with the use of a multivariate analysis method in order to exploit even small differences between the processes. The majority of diffractive events have a clear rapidity gap and hence an experimental definition, where diffractive events were defined as having a rapidity gap of at least three units, was used in order to avoid a model-dependent definition of diffraction. If the event had a proton at minimum or maximum pseudorapidity followed by a rapidity gap of at least three units, it was considered single diffractive, other events with such a gap double diffractive and the remaining events non-diffractive. The cross-sections obtained using a classifier based on boosted decision trees, on data recorded with the combined CMS and TOTEM detectors at 8 TeV center of mass collision energy, were 50.0 ± 2.2 mb for non-diffractive, 16.0 ± 3.5 mb for single diffractive and 8.7 ± 0.9 mb for double diffractive. These results are in agreement with other measurements using the same definitions and indicate larger diffractive cross-sections than predicted by most models.Alkeishiukkasfysiikka tutkii maailmankaikkeuden kaikkein pienimpiä hiukkasia. Hiukkasten vuorovaikutuksia ja ominaisuuksia tutkitaan törmäyttämällä hiukkasia suurella energialla, jolloin on mahdollista, että hiukkaset hajoavat tai vuorovaikuttavat muodostaen uuden joukon hiukkasia. Mittauksista saatavia tuloksia hyödynnetään muun muassa alkeishiukkasfysiikan ja astrohiukkasfysiikan mallien kehittämisessä. Tässä työssä tutkittiin CERNin Large Hadron Collider -kiihdyttimellä tuotettua dataa kahden protonin törmäyksistä. Mittausten tavoitteena oli määrittää erinäisiä kahden protonin törmäyksen vaikutusaloja, eli tutkittavien vuorovaikutusten todennäköisyyksiä. Nämä vaikutusalat eivät ole vakioita, vaan riippuvat törmäysenergiasta. Ensinnäkin tutkittiin epäelastista vaikutusalaa kolmella eri törmäysenergialla. Epäelastinen vaikutusala kuvaa todennäköisyyttä, että törmäyksessä muodostuu uusia hiukkasia alkuperäisten protonien lisäksi tai tilalle. Mittauksissa saavutettiin ennennäkemätön mittaustarkkuus ja havaittiin, että epäelastiset vaikutusalat kasvoivat energian kasvaessa, kuten mallit ennustivat. Mittausten hyvä tarkkuus tarjoaa hyvät mahdolliset kehittää olemassa olevia ja uusia malleja hiukkasten vuorovaikutuksille. Lisäksi tutkittiin epäelastisen vaikutusalan jakautumista eri vuorovaikutusmekanismien kesken. Suurimman osan epäelastisesta vaikutusalasta muodostavat ei-diffraktiivinen, yksöisdiffraktiivinen ja kaksoisdiffraktiivinen sironta. Ensimmäiseksi mainitussa törmäävät hiukkaset hajoavat ja uusia hiukkasia muodostuu tasaisesti eri sirontakulmiin. Toiseksi mainitussa yksi törmäävistä protoneista säilyy ennallaan ja toisen protonin hajotessa muodostuu joukko hiukkasia lähinnä sille puolelle törmäyspistettä, missä hajoava protoni sijaitsi. Kolmannessa tapauksessa molemmat protonit hajoavat, mutta uusia hiukkasia muodostuu törmäyspisteen molemmille puolille siten, että keskellä on hiukkasista vapaa alue. Epäelastisen vaikutusalan jakautumista eri vaikutusmekanismien kesken tutkittiin hyödyntämällä simulaatioita ja koneoppimismenetelmiä. Simuloitujen törmäystapahtumien avulla opetettiin päätöspuu tunnistamaan erilaisia törmäyksiä ja sitten hyödynnettiin kyseistä päätöspuuta mitattujen törmäysten luokitteluun. Näin saatiin määritettyä ei-diffraktiivisen, yksöisdiffraktiivisen ja kaksoisdiffraktiivisen sironnan osuudet. Mittauksissa huomattiin, että saadut tulokset ennustavat yksöis- ja kaksoisdiffaktion olevan olemassaolevien mallien ennusteita suuremmassa merkityksessä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2776-1
http://hdl.handle.net/10138/225099
Date: 2017-11-03
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record