Measurement of single-diffractive dijet production in proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 8\,\text {Te}\text {V} $$ with the CMS and TOTEM experiments

Abstract

AbstractMeasurements are presented of the single-diffractive dijet cross section and the diffractive cross section as a function of the proton fractional momentum loss $$\xi $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ξ</mml:mi> </mml:math> and the four-momentum transfer squared t. Both processes $${\text{ p }{}{}} {\text{ p }{}{}} \rightarrow {\text{ p }{}{}} {\text{ X }} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>X</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> and $${\text{ p }{}{}} {\text{ p }{}{}} \rightarrow {\text{ X }} {\text{ p }{}{}} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>X</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math>, i.e. with the proton scattering to either side of the interaction point, are measured, where $${\text{ X }} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>X</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:math> includes at least two jets; the results of the two processes are averaged. The analyses are based on data collected simultaneously with the CMS and TOTEM detectors at the LHC in proton–proton collisions at $$\sqrt{s} = 8\,\text {Te}\text {V} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>8</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mtext>Te</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> during a dedicated run with $$\beta ^{*} = 90\,\text {m} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow/> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>90</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>m</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> at low instantaneous luminosity and correspond to an integrated luminosity of $$37.5{\,\text {nb}^{-1}} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>37.5</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:msup> <mml:mtext>nb</mml:mtext> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math>. The single-diffractive dijet cross section $$\sigma ^{{\text{ p }{}{}} {\text{ X }}}_{\mathrm {jj}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mi>jj</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>X</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math>, in the kinematic region $$\xi &lt; 0.1$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ξ</mml:mi> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mn>0.1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math>, $$0.03&lt; |t | &lt; 1\,\text {Ge}\text {V} ^2$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.03</mml:mn> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mspace/> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>Ge</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math>, with at least two jets with transverse momentum $$p_{\mathrm {T}} &gt; 40\,\text {Ge}\text {V} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>40</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mtext>Ge</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math>, and pseudorapidity $$|\eta | &lt; 4.4$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mi>η</mml:mi> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mn>4.4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math>, is $$21.7 \pm 0.9\,\text {(stat)} \,^{+3.0}_{-3.3}\,\text {(syst)} \pm 0.9\,\text {(lumi)} \,\text {nb} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>21.7</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.9</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(stat)</mml:mtext> <mml:msubsup> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>3.3</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>3.0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace/> <mml:mtext>(syst)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.9</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(lumi)</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mtext>nb</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math>. The ratio of the single-diffractive to inclusive dijet yields, normalised per unit of $$\xi $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>ξ</mml:mi> </mml:math>, is presented as a function of x, the longitudinal momentum fraction of the proton carried by the struck parton. The ratio in the kinematic region defined above, for x values in the range $$-2.9 \le \log _{10} x \le -1.6$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2.9</mml:mn> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:msub> <mml:mo>log</mml:mo> <mml:mn>10</mml:mn> </mml:msub> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1.6</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math>, is $$R = (\sigma ^{{\text{ p }{}{}} {\text{ X }}}_{\mathrm {jj}}/\Delta \xi )/\sigma _{\mathrm {jj}} = 0.025 \pm 0.001\,\text {(stat)} \pm 0.003\,\text {(syst)} $$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mi>jj</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>X</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>ξ</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mi>jj</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.025</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.001</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(stat)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.003</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mtext>(syst)</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math>, where $$\sigma ^{{\text{ p }{}{}} {\text{ X }}}_{\mathrm {jj}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mi>jj</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>p</mml:mtext> <mml:mspace/> <mml:mrow/> <mml:mrow/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mtext>X</mml:mtext> <mml:mspace/> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> and $$\sigma _{\mathrm {jj}}$$<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mi>jj</mml:mi> </mml:msub> </mml:math> are the single-diffractive and inclusive dijet cross sections, respectively. The results are compared with predictions from models of diffractive and nondiffractive interactions. Monte Carlo predictions based on the HERA diffractive parton distribution functions agree well with the data when corrected for the effect of soft rescattering between the spectator partons.