[論文レビュー] Exploring the N Lambda-N Lambda coupled system with high precision correlation techniques at the LHC

S. Acharya, D. Adamová+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用数 56

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける√s = 13 TeVの高多重度pp衝突において、高精度な2粒子相関技術を用いて、pΛ系におけるNΣ ↔ NΛ結合チャネルダイナミクスの最初の直接実験的観測を報告する。相関関数におけるk* = 289 MeV/cのくびれのような構造は、非弾性NΣチャネルの開放を示しており、NΣ–NΛ遷移ポテンシャルを制約し、従来の仮定よりも弱い結合を示唆する。これは、中性子星におけるhyperon相互作用および核物質の状態方程式に影響を及ぼす。

ABSTRACT

The interaction of and hyperons (Y) with nucleons (N) is strongly influenced by the coupled-channel
 dynamics. Due to the small mass difference of the N and N systems, the sizable coupling strength of
 the N ↔ N processes constitutes a crucial element in the determination of the N interaction. In
 this letter we present the most precise measurements on the interaction of p pairs, from zero relative
 momentum up to the opening of the N channel. The correlation function in the relative momentum
 space for p ⊕ p pairs measured in high-multiplicity triggered pp collisions at √s = 13 TeV at the
 LHC is reported. The opening of the inelastic N channels is visible in the extracted correlation function
 as a cusp-like structure occurring at relative momentum k∗ = 289 MeV/c. This represents the first direct
 experimental observation of the N ↔ N coupled channel in the p system. The correlation function
 is compared with recent chiral effective field theory calculations, based on different strengths of the
 N ↔ N transition potential. A weaker coupling, as possibly supported by the present measurement,
 would require a more repulsive three-body NN interaction for a proper description of the in-medium
 properties, which has implications on the nuclear equation of state and for the presence of hyperons
 inside neutron stars.

研究の動機と目的

• 2粒子相関を用いて、pΛ系におけるNΛ–NΣ結合チャネルダイナミクスを高精度に探査すること。
• 実験データから長年の不確実性であったNΣ ↔ NΛ遷移ポテンシャルの強さを解消すること。
• NΛ相互作用を制約し、三体力および高密度物質における核状態方程式に与える影響を明らかにすること。
• 測定された相関関数と理論的計算を比較することで、チャーミカル有効場理論（χEFT）の予測を検証すること。

提案手法

• ALICE検出器を用いて、√s = 13 TeVの高多重度pp衝突における2粒子相関関数C(k*)の測定。
• p + π⁻の崩壊生成物のインヴァリアント質量解析およびITS、TPC、TOF検出器を用いた粒子識別により、pΛおよびpΛペアの再構成。
• 混合イベント正規化を用いて非相関背景を抽出し、相関関数C(k*) = N·N(k*)/M(k*)の高精度抽出を実現。
• 源関数形式C(k*) = ∫ S(r*)|Ψ(k*, r*)|² d³r*の適用により、相関を有効発生源および相対波動関数に関連づける。
• 異なる強さのNΣ ↔ NΛ遷移ポテンシャルを用いたチャーミカル有効場理論（χEFT）計算と、実験的相関関数を比較。
• 高多重度イベントの選択により、奇跡的生成を増強し、低k*領域の解析に向けた統計を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度相関データによって制約されるpΛ系におけるNΣ ↔ NΛ遷移ポテンシャルの強さは何か？
• RQ2 実験的相関関数は、NΣ閾値でくびれのような構造を示すか？これは非弾性チャネルの開放を示唆するか？
• RQ3 測定された相関関数は、NΣ–NΛ結合強度を変化させた最近のチャーミカル有効場理論計算とどのように一致するか？
• RQ4 NΣ–NΛ結合が弱い場合、三体力NNΛおよび中性子星における状態方程式にどのような影響を与えるか？
• RQ5 pp衝突のような小スケール系における2粒子相関は、hyperon核子相互作用の結合チャネルダイナミクスを感受的に探査できるか？

主な発見

• 相対運動量k* = 289 MeV/cにおけるpΛ相関関数に、くびれのような構造が観測され、NΛ系における非弾性NΣチャネルの開放を示す最初の直接実験的証拠が得られた。
• 観測されたくびれ構造は、従来の理論モデル（例：元のNLO13 χEFTポテンシャル）で仮定されたものよりも弱いNΣ ↔ NΛ遷移ポテンシャルと整合的である。
• 測定された相関関数は、弱いNΣ–NΛ結合を用いたチャーミカル有効場理論計算と良好に一致しており、中間的な効果を再現するにはより反発的三体力NNΛが必要であることを示唆している。
• 高多重度トリガーにより、k* = 200 MeV/c未満の再構成pΛペア数が最小バイアストリガーと比較して10倍に増加し、高統計的・低k*相関測定が可能になった。
• 結果から、NΣ–NΛ結合が弱い場合、高密度核物質におけるΛハイパー粒子の性質を正しく記述するにはより反発的三体力が必要であり、中性星におけるハイパー粒子の存在予測に影響を与えることが示唆された。
• 本研究は、小スケール系における2粒子相関が結合チャネルダイナミクスに感受的であることを示し、ハドロン–ハイパー粒子相互作用を精密に研究するための新しいツールを提供した。