Measurement of elastic proton-proton scattering at square root(s) = 13 TeV with the ALFA sub-detector of ATLAS at the LHC

Abstract

The ALFA (Absolute Luminosity for ATLAS) Roman Pot detector system is part of the forward instrumentation of ATLAS located about 240 m away from the interaction point in the LHC tunnel in both directions. ALFA consists of a scintillating fiber tracker housed in vertical Roman Pots which enables the measurement of elastic proton-proton scattering at small scattering angles. In 2016 seven data-sets were recorded at a center-of-mass energy of $sqrt{s} = 13$ TeV during a fill with special beam optics of the LHC with $beta^{*} = 2.5$ km and parallel-to-point focusing in the vertical plane.The four-momentum transfer $t$ is measured for elastically scattered protons and used to extract the differential elastic cross section. In this work, the reconstruction efficiency for each of these seven data-sets is determined, which is needed for the correct normalization of the differential elastic cross section, in order to derive the the total cross section and the slope of the elastic cross section at small $|t|$, using the optical theorem. The $rho$-parameter, which is the ratio of the real to imaginary part of the forward scattering amplitude, is also measured at this given center of mass energy. The systematic uncertainties for the determination of these quantities as a result of the uncertainties from the determination of the reconstruction efficiency is investigated. Am Large Hadron Collider (LHC) am CERN bei Genf werden Protonen mit bisher unerreichter Schwerpunktsenergie kollidiert. Sowohl die Suche nach bisher unentdeckten Teilchen, als auch die Präzisionsmessungen an den Zerfallskanälen bereits bekannter Teilchen hat das Potential, neue physikalische Erkenntnisse zu erbringen, welche sich jenseits unseres bekannten physikalischen Weltbildes befinden, das durch das Standardmodell beschrieben wird. Eine solche Untersuchung ist die Analyse der Winkelverteilung von elastisch gestreuten Protonen, welche gegenwärtig nicht quantitativ aus bekannten Theorien berechnet werden kann. In dieser Arbeit wurden Daten des ALFA-Detektors analysiert, welcher für die Untersuchung ebendieser Streuprozesse konstruiert wurde. ALFA ist Teil des ATLAS-Detektors am LHC. ALFA besteht aus acht einzelnen Detektoren, die sich rund 240 Meter vom Kollisionspunkt von ATLAS entfernt in beiden Richtungen direkt an der LHC Strahlröhre befinden. Durch mechanische Vorrichtungen (Roman Pots´) ist es möglich, alle ALFA Detektoren vertikal sehr nah an den LHC-Strahl heranzuführen, um gestreute Protonen unter sehr kleinen Streuwinkeln zu detektieren. In dieser Arbeit wurde für die sieben separaten Datensätze von 2016 bei spezieller $beta^* = 2.5 , text{km}$-Strahloptik und Kollisionsenergie von $sqrt{s} = 13 , text{TeV}$ jeweils die Rekonstruktionseffizienz der Protonendetektion bestimmt. Davon ausgehend wird eine Abschätzung der Werte einer Reihe von interessanten Standardmodellparametern bei dieser Kollisionsenergie, sowie ein Vergleich mit vorherigen Messungen bei niedrigeren Energien gegeben. Der erste Parameter ist der totale Wirkungsquerschnittes $sigma_{text{tot}}$ der Proton-Proton Streuung, der sich aus der Messung mittels Optischem Theorem herleiten lässt. Des Weiteren wird der nukleare Steigungs-Parameter $B$ bestimmt, ein Maß für den exponentiellen Abfall der Streurate mit steigendem Winkel. Zuletzt wird der $rho$-Parameter bestimmt, das Verhältnis zwischen Real- und Imaginärteil der elastischen Vorwärtsstreuamplitude. Die systematische Unsicherheit in der Bestimmung dieser Parameter durch die Unsicherheit in der Bestimmung der Rekonstruktionseffizienz is ebenfalls zentraler Bestandteil dieser Arbeit.