[論文レビュー] Energy dependence of hadron spectra and multiplicities in p+p interactions

S. Puławski|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、SPSエネルギーレンジ（20–158 GeV/c）における非弾性p+p衝突において、NA61/SHINE実験を用いてハドロンスペクトルおよび多重度の高精度測定を提示する。p+p衝突において、通常核物質の相転移に関連するとされる、中性子の逆傾斜パラメータおよび$K^{+}/\pi^{+}$比の予期せぬエネルギー依存性の変化が観測され、現在のモデルに挑戦し、p+p系が脱コンfinementの始まりを研究する上で極めて重要であることを示唆している。

ABSTRACT

The NA61/SHINE experiment at the CERN SPS aims to discover the critical point of strongly interacting matter and study the properties of the onset of deconfinement. In order to reach these goals measurements of hadron production properties are performed in nucleus-nucleus, proton-proton and proton-nucleus interactions as a function of collision energy and size of the colliding nuclei. Inclusive spectra of identified hadrons in p+p interactions at the SPS energies are presented as a function of transverse momentum, transverse mass and rapidity. The results are compared with the world data and theoretical models.

研究の動機と目的

• SPSビームエネルギーレンジ（20–158 GeV/c）の広い範囲において、非弾性p+p衝突における包含的ハドロンスペクトルおよび多重度を測定すること。
• p+p衝突における横運動量スペクトル、急速度分布、および粒子比のエネルギー依存性を調査すること。
• 中央部Pb+Pb衝突と比較することで、脱コンfinementの始まりの兆候（「くびれ」、「ほん」、「段差」）を分離して抽出すること。
• EPOS、UrQMD、Pythia 8、HSDなどの理論モデルを高精度データと照合し、モデル改善に向けた乖離を特定すること。
• EPOSモデル補正因子$C_{MC} \approx 5\%$を用いたハイブリッド手法により、p+p衝突における$\pi^{+}$の中間急速度生成断面積を決定すること。

提案手法

• 3つの解析手法を用いた：$h^{-}$による$\pi^{-}$測定、$dE/dx$による粒子同定、$tof$-$dE/dx$による中間急速度領域での分離性能向上。
• トリガーのバイアス、非標的相互作用、検出器の非効率、および励起状態からの崩壊や二次相互作用に起因する寄与を補正した。
• 簡略化されたブレーストウェーブモデルを用いて横運動量スペクトルをフィットした：$\frac{dN_i}{m_T dm_T dy} = A_i m_T K_1\left(\frac{m_T \cosh\rho}{T}\right) I_0\left(\frac{p_T \sinh\rho}{T}\right)$。
• 横運動量スペクトルを指数関数的関数でパラメータ化した：$\frac{d^2n}{dp_T dy} = \frac{S p_T}{T^2 + m_K T} \exp\left(-\frac{\sqrt{p_T^2 + m_K^2} - m_K}{T}\right)$。
• 測定された$\pi^{-}$生成断面積、$tof$-$dE/dx$で測定された$\pi^{+}/\pi^{-}$比、およびEPOSモデル補正係数$C_{MC} \approx 5\%$を用いて、中間急速度領域における$\pi^{+}$生成断面積を再構築した。
• EPOS、UrQMD、Pythia 8、HSDモデルと比較することで、モデルの性能を評価し、改良の方向性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央部Pb+Pb衝突と同様に、p+p衝突においても$K^{+}/\pi^{+}$比および中性子の逆傾斜パラメータ$T$に、急速なエネルギー依存性の構造が現れるか？
• RQ2 p+p系とPb+Pb系における$\pi^{-}$の急速度分布幅のエネルギー依存性は、どのように比較できるか？
• RQ3 現在のモデル（EPOS、UrQMD、Pythia 8、HSD）は、p+p衝突における測定された$m_T$スペクトルおよび粒子比をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 $\pi^{-}$データとモデル補正を用いて、p+p衝突における中間急速度$\pi^{+}$生成断面積を信頼性を持って再構築できるか？
• RQ5 p+p衝突における「ほん」と「段差」構造の観測された修正は、Pb+Pbと比較してどの程度顕著か？

主な発見

• 中性子の横運動量スペクトルの逆傾斜パラメータ$T$は、SPSエネルギーレンジ全域にわたりp+p衝突で急速なエネルギー依存性の変化を示し、中央部Pb+Pb衝突で観測された挙動と類似している。
• p+p衝突における$K^{+}/\pi^{+}$比は、SPSエネルギーレンジで顕著なエネルギー依存性を示し、急速な変化を示すが、「ほん」構造はPb+Pbに比べて著しく小さくなっている。
• EPOSモデル予測から得た補正係数$C_{MC} \approx 5\%$を用いて、$\pi^{+}$の中間急速度生成断面積を補正し、$\pi^{-}$データと信頼性高く比較可能となった。
• 陽子の平均横運動量$\langle m_T \rangle$は衝突エネルギーに従ってゆっくりと増加するが、これはUrQMDやHSDモデルでは再現されていない。
• K^{+}$および$K^{-}$スペクトルの高精度NA61/SHINEデータは、中間急速度領域における$T$および$K^{+}/\pi^{+}$比に関する世界のデータを著しく改善した。
• 理論モデル（EPOS、UrQMD、Pythia 8、HSD）はNA61/SHINEデータを説明できず、SPSエネルギーレンジにおけるp+p力学の複雑さを捉えるにはモデルの見直しが必要であることが示された。