[論文レビュー] Baryon Production at LHC Experiments: Average pt of Hyperons vs. Energy

O. I. Piskounova|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、LHC やそれ以前の衝突装置における陽子-陽子および陽子-反陽子衝突におけるハイパーロンの横運動量（$p_t$）スペクトルをクォーク-グルーオンストリングモデル（QGSM）を用いて分析している。$̂\sqrt{s} = 7$ TeV まで、$̂\Lambda^0$ ハイパーロンの平均 $p_t$ は一貫して増加しており、バリオン生成ダイナミクスに顕著な変化は認められない。これは、$̂\sim 4 \times 10^{15}$ eV 付近の宇宙線の「膝（knee）」が、ハドロプロダクションの閾値によるものではなく、天体的起源である可能性を示唆している。

ABSTRACT

This paper examines the transverse momentum spectra of baryons in the multi-particle production at modern colliders using Quark-Gluon String Model (QGSM). It discusses 1) the difference in Λ^0 hyperon spectra at antiproton-proton vs. proton-proton reactions; 2) the growth of average transverse momenta of Λhyperon with proton-proton collision energies and 3) the dependence of average p_t on the masses of mesons and baryons at the LHC energy 7 TeV. This analysis of baryon spectra led to the following conclusions. First, the fragmentation of antidiquark-diquark side of the pomeron diagram makes the major contribution to baryon production spectra in the asymmetric antiproton-proton reaction. Second, the average p_t's of hyperons steadily grow with energy on the range from 53 GeV to 7 TeV. Since no dramatic changes were seen in the characteristics of baryon production, the hadroproduction processes do not cause the "knee" in the cosmic ray proton spectra at the energies between Tevatron and LHC.

研究の動機と目的

• ISR から LHC にかけての $p$-$p$ および $\bar{p}$-$p$ 衝突における $\Lambda^0$ ハイパーロンの平均横運動量（$p_t$）のエネルギー依存性を調査すること。
• 宇宙線陽子スペクトルの「膝」が $̂\sim 4 \times 10^{15}$ eV 付近に現れる現象に関連して、LHC エネルギー領域でバリオン生成ダイナミクスが顕著に変化するかどうかを評価すること。
• クォーク-グルーオンストリングモデル（QGSM）を用いて、エネルギースケールをまたいで $p_t$ スペクトルを解釈および予測すること。
• $p$-$p$ と $\bar{p}$-$p$ 反応の間で $p_t$ スペクトルを比較し、多粒子生成における非対称性を調べること。
• エネルギー依存の $p_t$ 動向を組み込むことで、モンテカルロイベントジェネレータ（例：Pythia, LUND）の改善に基盤を提供すること。

提案手法

• クォーク-グルーオンストリングモデル（QGSM）を用い、ゴムバンド的交換によるバリオン生成、特に二クォーク-反二クォークのフラグメンテーションによるハイパーロン生成を記述する。
• 横運動量分布 $dN/dp_t$ を指数関数的関数 $\exp(-B p_t)$ でフィットし、エネルギーにわたるスロープパラメータ $B$ を抽出する。
• ISR, STAR, ALICE, ATLAS, CMS からの $p$-$p$ 衝突および UA1, UA5, CDF からの $\bar{p}$-$p$ 衝突データを、$\sqrt{s} = 53$ GeV から 7 TeV にわたって比較する。
• スロープが最も強く影響を与える $p_t$ 範囲 0.3–8 GeV/c に注目し、フィットされたスペクトルから平均 $p_t$ 値を計算する。
• QGSMフレームワークを用いて、$x_F$ 依存性とマルチ・ポメロン交換寄与を考慮した上で、$p_t$ のエネルギー依存性をモデル化する。
• LHCb の $\sqrt{s} = 7$ TeV におけるデータに QGSM をフィットし、重いバリオン（B-メソン）についても、$p_t$ の質量依存性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $p$-$p$ 衝突において、$\sqrt{s} = 53$ GeV から 7 TeV にかけての中心系エネルギーの上昇に伴い、$\Lambda^0$ ハイパーロンの平均横運動量（$p_t$）はどのように変化するか？
• RQ2 QGSMの文脈において、同程度のエネルギーで観測される $p$-$p$ と $\bar{p}$-$p$ 衝突の間で $p_t$ スペクトルに顕著な差が生じる理由は何か？
• RQ3 LHC エネルギー領域（$\sqrt{s} = 7$ TeV）におけるバリオン生成が、宇宙線陽子スペクトルの「膝」（$\sim 4 \times 10^{15}$ eV 付近）を説明するような顕著なダイナミクスの変化を示すのか？
• RQ4 QGSMフレームワークは、エネルギー上昇に伴いスペクトルが硬くなる傾向（スペクトルの硬化）を説明できるか？
• RQ5 観測された $p_t$ の増加は、QGSMモデルにおけるマルチ・ポメロン交換効果および $x_F$ 依存性と整合的か？

主な発見

• 平均横運動量（$p_t$）の $\Lambda^0$ ハイパーロンは、$\sqrt{s} = 53$ GeV から 7 TeV にかけて中心系エネルギーの上昇に伴い一貫して増加しており、$\langle p_t \rangle \propto s^{0.05}$ のべき乗則的依存性を示している。
• 指数的スペクトルのスロープパラメータ $B$ は、ISR（$\sqrt{s} = 53$ GeV）の $B_0 = 4.6$ から LHC（$\sqrt{s} = 7$ TeV）の $B_0 = 2.1$ に減少しており、スペクトルの硬化を示している。
• QGSMは、$p$-$p$ と $\bar{p}$-$p$ 衝突における $p_t$ スペクトルの差を、ポメロン図における非対称なエネルギー分配によるものと説明しており、$\bar{p}$-$p$ 衝突では二クォーク-反二クォーク側がより多くの横運動量エネルギーを吸収している。
• $\sqrt{s} = 7$ TeV までにバリオン生成ダイナミクスに顕著な変化は観測されず、これは実験室系エネルギー $2.5 \times 10^{16}$ eV に対応する。このことは、宇宙線の「膝」がハドロプロダクションの閾値によるものではなく、天体的起源である可能性を示唆している。
• $\sqrt{s} = 7$ TeV における B-メソンの平均 $p_t$ は 4.46 GeV/c と推定され、B-メソンの質量にほぼ等しい。これは、重いフラバーのハドロプロダクションにおいて強い横運動量生成が生じていることを示している。
• QGSMは、$p_t$ のエネルギー依存性を、残存する $x_F$ 依存性と短いマルチ・ポメロン鎖の寄与に起因すると説明しており、エネルギー保存則が高エネルギーでより硬いスペクトルを favour している。