[論文レビュー] Effects of medium modification of pion production threshold in heavy ion collisions and the nuclear symmetry energy

Taesoo Song, Che Ming Ko|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、相対論的Vlasov-Uehling-Uhlenbeck（RVUU）モデルを用い、非線形相対論的平均場相互作用を組み込んだ際、密度の高い核物質におけるπ中間子生成閾値の媒体中修正がAu+Au衝突における中間子の生成断面積およびπ⁻/π⁺比に与える影響を調査する。その結果、媒体中閾値効果が全中間子生成断面積およびπ⁻/π⁺比を増加させ、対称性エネルギーの影響を相殺することが判明した。また、実験データを再現するには、密度に依存するΔ共鳴生成断面積が必要であることが示された。

ABSTRACT

Using the relativistic Vlasov-Uehling-Uhlenbeck (RVUU) equation based on mean fields from the nonlinear relativistic models, we study the effect of medium modification of pion production threshold on the total pion yield and the $π^-/π^+$ ratio in Au+Au collisions. We find that the in-medium threshold effect enhances both the total pion yield and the $π^-/π^+$ ratio, compared to those without this effect. Furthermore, including the medium modification of the pion production threshold in asymmetric nuclear matter leads to a larger $π^-/π^+$ ratio for the $NLρδ$ model with a stiffer symmetry energy than the $NLρ$ model with a softer symmetry energy, opposite to that found without the in-medium threshold effect. Experimental data from the FOPI Collaboration are reproduced after including a density-dependent cross section for $Δ$ baryon production from nucleon-nucleon collisions, which suppresses the total pion yield but hardly changes the $π^-/π^+$ ratio. The large errors in the experimentally measured $π^-/π^+$ ratio prevent, however, the distinction between the predictions from the $NLρ$ and $NLρδ$ models.

研究の動機と目的

• 媒体中の中間子生成閾値効果が非対称核物質における中間子生成断面積およびπ⁻/π⁺比に与える影響を調査すること。
• これらの閾値効果が、高密度における核対称性エネルギーの剛性にどのように依存するか、π⁻/π⁺比の感受性がどのように変化するかを評価すること。
• FOPI協会の実験データと理論的予測を比較し、特に密度に依存するΔ生成断面積の役割に注目すること。
• 媒体中修正閾値を組み込むことで、理論的予測と観測されたAu+Au衝突における中間子生成断面積および比を一致させられるかを特定すること。

提案手法

• Au+Au衝突における核子、Δ共鳴、中間子の位相空間分布の時間発展を、相対論的Vlasov-Uehling-Uhlenbeck（RVUU）方程式を用いてシミュレートする。
• スカラーおよびベクトルメソンの交換を含む非線形相対論的平均場モデルを用い、核物質の性質を記述するためのスカラーおよびアイソスカラー・アイソベクトル相互作用を導入する。
• 非対称物質におけるアイソスピン依存性のダイナミクスを反映させるために、核子、Δ共鳴、中間子の異なるアイソスピン状態を明示的に取り入れる。
• 相対論的エネルギー運動量保存則と平均場からの自己エネルギーを用いて、媒体中におけるΔ⁻が中性子とπ⁻に崩壊するための閾値エネルギーを計算する。
• スカラーおよびベクトル平均場からの共変閾値効果を組み込み、相対論的平均場ラグランジアンと運動方程式から導かれる自己エネルギーを用いる。
• 実験的中間子生成断面積に一致させるために、NN衝突からのΔ生成断面積に密度依存性を導入し、π⁻/π⁺比に影響を与えないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 媒体中における中間子生成閾値の修正は、Au+Au衝突における全中間子生成断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 媒体中修正閾値はπ⁻/π⁺比をどの程度変化させ、これは核対称性エネルギーの剛性にどのように依存するか？
• RQ3 媒体中閾値効果を組み込むことで、FOPI協会の実験データと理論的予測を一致させられるか？
• RQ4 対称性エネルギーの剛性と閾値効果の相乗作用が、π⁻/π⁺比が高密度核物質の性質に敏感である度合いにどのように影響を与えるか？
• RQ5 Δ生成断面積の密度依存性は、π⁻/π⁺比を歪めることなく、実験的中間子生成断面積を再現するために果たす役割は何か？

主な発見

• 媒体中閾値効果は、この効果を無視した計算と比較して、全中間子生成断面積およびπ⁻/π⁺比の両方を増加させる。
• ベクトル平均場からの閾値効果は、核対称性エネルギーがπ⁻/π⁺比に与える影響を相殺または逆転させ、その感受性を対称性エネルギーの剛性に依存させにくくする傾向がある。
• スカラー平均場寄与は、対称性エネルギーの剛性にかかわらず中間子生成断面積を増加させ、普遍的な増幅効果を示す。
• FOPI協会の実験的全中間子生成断面積を再現するには、密度に依存するΔ生成断面積を導入する必要があり、これはπ⁻/π⁺比に影響を与えないが生成断面積を抑制する。
• 生成断面積の一致は改善されたが、π⁻/π⁺比の大きな実験的不確かさのため、NLρおよびNLρδモデルの間で明確な区別はつかない。ただし、閾値効果を含むとNLρδモデルはより大きなπ⁻/π⁺比を予測する。
• 閾値効果により、Δ⁻の静止系において有限の中間子運動量（|p| ≠ 0）でΔ⁻質量の最小値が現れ、この最小値は中間子運動量が自己エネルギーベクトルと一致するときに発生する。これは自由空間における閾値が|p| = 0に位置するとする仮定に反する。