[論文レビュー] First observation of an attractive interaction between a proton and a multi-strange baryon

ALICE Collaboration|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|Apr 27, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、LHCのALICE検出器を用いて、$√s_{\mathrm{NN}}=5.02$ TeVのp–Pb衝突において、2粒子相関測定を用いて、陽子と多奇素バリオン（$Χ^{-}$）の間の強い引力的相互作用を初めて実験的に観測した。測定された相関関数は、電磁相互作用のみを想定した予測を著しく上回る増強を示し、$3.6$--$5.3\sigma$の有意性を示し、強い引力的強い相互作用の存在を確認した。これは、HAL-QCD格子QCD計算（$1.8$--$3.7\sigma$）と整合的である。

ABSTRACT

This work presents the first experimental observation of the attractive strong interaction between a proton and a multi-strange baryon (hyperon) $Ξ^-$. The result is extracted from two-particle correlations of combined $ m{p}-Ξ^{-}$$\oplus$$ m{\bar{p}}-\barΞ^{+}$ pairs measured in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m{NN}}}=5.02$ TeV at the LHC with ALICE. The measured correlation function is compared with the prediction obtained assuming only an attractive Coulomb interaction and a standard deviation in the range $[3.6,5.3]$ is found. Since the measured $ m{p}-Ξ^{-}$$\oplus$$ m{\bar{p}}-\barΞ^{+}$ correlation is significantly enhanced with respect to the Coulomb prediction, the presence of an additional, strong, attractive interaction is evident. The data are compatible with recent lattice calculations by the HAL-QCD Collaboration, with a standard deviation in the range $ [1.8,3.7]$. The lattice potential predicts a shallow repulsive $Ξ^-$ interaction within pure neutron matter at saturation densities and this implies stiffer equations of state for neutron-rich matter including hyperons. Implications of the strong interaction for the modeling of neutron stars are discussed.

研究の動機と目的

• 陽子と多奇素バリオン（$\\Xi^{-}$）の間の強い相互作用を、ハイパーヨン–核子相互作用において欠けている重要な要素として、実験的に探査すること。
• 高精度な2粒子相関技術を用いて、格子QCD（HAL-QCD）による$p$–$\Xi^{-}$相互作用の理論的予測を検証すること。
• 中性子豊富な物質における$\Xi^{-}$の単粒子ポテンシャルを制約し、中性子星の状態方程式（EoS）に与える影響を明らかにすること。
• 従来の研究では統計的不確実性が大きく、重イオン衝突データに汚染が生じていたという限界を克服すること。
• 小型系（p–Pb）と、実際のポテンシャルを用いたシュレーディンガー方程式を解くためのCATSツールを用いた、新しい実験的枠組みを確立すること。

提案手法

• LHCの$√s_{\mathrm{NN}}=5.02$ TeVにおけるp–Pb衝突で、陽子と$\Xi^{-}$バリオン（$\mathrm{p{--}\Xi^{-}}$）およびそれらの反粒子（$\overline{\mathrm{p}}{\rm--}\overline{\Xi}^{+}$）の間の2粒子運動量空間相関を測定する。
• 粒子対と反粒子対の相関を組み合わせることで統計を向上させ、バックグラウンド効果を低減する。
• CATS（シュレーディンガー方程式を用いた相関解析ツール）を用いて、強い相互作用ポテンシャルを含む・含まない両方の理論的相関関数を計算する。
• 電磁相互作用のみを仮定した予測と、HAL-QCD格子QCD計算から得られた強い相互作用ポテンシャルを含む予測とを、測定された相関関数と比較する。
• 電磁相互作用のみの予測からのずれを統計的有意性テストで評価し、強い相互作用の存在を定量的に評価する。
• 抽出されたポテンシャルを用いて、純粋な中性子物質における$\Xi^{-}$の単粒子ポテンシャルを計算し、中性子星のモデル化に寄与する。

Figure 1: (Color online) The a) p–p and b) p– $\Xi^{-}$ correlation functions shown as a function of $k^{*}$ . Statistical (bars) and systematic uncertainties (boxes) are shown separately. The filled bands denote the results from the fit with Eq. 1 . Their widths correspond to one standard deviation

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子と$\Xi^{-}$バリオンの間には、実験的証拠としての強い引力的相互作用が存在するか？
• RQ2 測定されたp–$\Xi^{-}$相関は、電磁相互作用のみを仮定した予測とどのように異なるか？
• RQ3 観測された相関は、p–$\Xi^{-}$相互作用に関する格子QCD計算とどの程度整合的か？
• RQ4 $\Xi^{-}$–核子相互作用は、中性子豊富な物質および中性子星の状態方程式にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 小型ハドロン系（p–Pb）における2粒子相関は、短距離の強い相互作用をクリアにプローブできるか？

主な発見

• 測定されたp–$\Xi^{-}$相関関数は、電磁相互作用のみを仮定した予測を著しく上回る増強を示し、$3.6$--$5.3\sigma$の有意性を示し、強い引力的相互作用の実験的証拠を初めて得た。
• データは、HAL-QCD格子QCDによる$p$–$\Xi^{-}$相互作用予測と整合的であり、$1.8$--$3.7\sigma$の有意性を示し、誤差範囲内で一致している。
• 観測された強い引力的相互作用は、中性子物質における$\Xi^{-}$の浅く引力的な単粒子ポテンシャルを示唆し、中程度の密度でその出現を促進する。
• この引力的相互作用は、中性子豊富な物質の状態方程式（EoS）を緩和させる。これは、中性子星の構造および最大質量限界に直接的な影響を及ぼす。
• 本研究は、小型系（p–Pb）における2粒子相関が、奇素系における短距離強い相互作用を精密にプローブする有効なツールであることを裏付けた。
• 本研究は、ハイパーヨン–核子およびハイパーヨン–ハイパーヨン相互作用の今後の研究の新たな基準を確立した。これは、ハイパーヨンを含む現実的な中性子星モデル化に不可欠である。

Figure 2: (Color online) Predictions for the $\Xi$ -nucleon potential from the HAL-QCD Collaboration [ 42 ] for the different spin (S) and isospin (I) states. The error bands refer to different Euclidean times considered in the calculation. The inset shows the correlation function computed with the