[論文レビュー] Search for baryon junctions in photonuclear processes and isobar collisions at RHIC

Nicole Lewis, Lv, Wendi+8 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超相対論的重イオン衝突におけるバリオン数が、バリオン数を運ぶのはバリオンの外的クォークではなく、非摂動的Y字型ゲージ結合である可能性を提唱し、スロープが−0.61±0.03の指数的ネットバリオン急速度分布を予測する。これは、RHICおよびEICにおける中性子異核および光核反応を用いて、ネットバリオン停止および半包含的過程を通じて検証可能であり、未解明の中央急速度域バリオン過剰の解決策を提供する。

ABSTRACT

During the early development of Quantum Chromodynamics, it was proposed that baryon number could be carried by a non-perturbative Y-shaped topology of gluon fields, called the gluon junction, rather than by the valence quarks as in the QCD standard model. A puzzling feature of ultra-relativistic nucleus-nucleus collisions is the apparent substantial baryon excess in the midrapidity region that could not be adequately accounted for in most conventional models of quark and diquark transport. The transport of baryonic gluon junctions is predicted to lead to a characteristic exponential distribution of net-baryon density with rapidity and could resolve the puzzle. In this context we point out that the rapidity density of net-baryons near midrapidity indeed follows an exponential distribution with a slope of $-0.61\pm0.03$ as a function of beam rapidity in the existing global data from A+A collisions at AGS, SPS and RHIC energies. To further test if quarks or gluon junctions carry the baryon quantum number, we propose to study the absolute magnitude of the baryon vs. charge stopping in isobar collisions at RHIC. We also argue that semi-inclusive photon-induced processes ($γ+p$/A) at RHIC kinematics provide an opportunity to search for the signatures of the baryon junction and to shed light onto the mechanisms of observed baryon excess in the mid-rapidity region in ultra-relativistic nucleus-nucleus collisions. Such measurements can be further validated in A+A collisions at the LHC and $e+p$/A collisions at the EIC.

研究の動機と目的

• RHICおよびLHCにおけるA+Aおよび中性子異核衝突で観測された未解明の中央急速度域バリオン過剰を解消するための目的。これは、従来のクォーク／二クォーク輸送モデルでは説明できない。
• バリオン数が、初期のQCDモデルで提唱されたように、バリオンの外的クォークではなく非摂動的Y字型ゲージ結合によって運ばれるという仮説を検証するための目的。
• 具体的には、中性子異核衝突におけるネットバリオン停止およびEICにおける半包含的光核反応を用いて、クォークと結合によるバリオン輸送の違いを区別するための測定可能な観測量を提案する。
• アップグレードされたSTAR検出器および正確なバリオンおよび電荷測定が可能な計画中のEIC実験の高統計データを用いて、ゲージ結合モデルを検証する。
• EICにおけるe+Aおよびe+p衝突における急速度依存のネットバリオンおよびネット電荷分布を通じて、バリオン結合像をテストするフレームワークを提供する。

提案手法

• AGS、SPSおよびRHICの既存するA+A衝突データを分析し、ネットバリオン密度の急速度依存性を抽出。その結果、スロープが−0.61±0.03の指数的分布が得られた。
• RHICにおける中性子異核衝突（例：96Zr + 96Ru）を提案し、絶対的バリオン停止と電荷停止の測定を通じて、結合とクォーク輸送の明確なテストを可能にする。
• RHICの運動学的条件における半包含的光核反応（γ + p/A）をモデル化し、中央および前方急速度領域におけるネットバリオン生成を通じてバリオン結合の痕跡を探索する。
• イベントジェネレータ（例：BeAGLE、PYTHIA）を用いてクォークと結合輸送の仮定の下でのバリオン生成をシミュレートし、予測を比較する。
• STAR検出器の将来のアップグレード（iTPC、EPD、FTS/FCS）を活用し、偽性度の高いトリガーと、準垂直度領域のカバレッジ拡大を実現し、γ+Au過程におけるネットバリオン測定を高精度化する。
• EICにおけるe+Ruおよびe+Zr衝突を提案し、xおよびQ²の関数としてのネットバリオンおよびネット電荷分布を測定することで、バリオン結合モデルの直接的検証を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A+A衝突における観測されたネットバリオン急速度分布が、バリオン結合停止の予測と整合する指数的形をしているか？
• RQ2 RHICにおける中性子異核衝突は、バリオン数がバリオンの外的クォークかゲージ結合によって運ばれるかを区別できるか？
• RQ3 RHICの運動学的条件における半包含的γ + A過程は、中央および前方急速度領域におけるネットバリオン生成の特徴的なパターンを通じてバリオン結合の痕跡を明らかにできるか？
• RQ4 将来的なEIC測定によるe+A衝突におけるネットバリオンおよびネット電荷分布は、バリオン結合モデルを制限できるか？
• RQ5 γ*A → X + p過程における光子の仮想性の役割は何か？また、それは結合ダイナミクスを調べるのに利用可能か？

主な発見

• AGS、SPSおよびRHICにおけるA+A衝突におけるネットバリオン急速度分布は、スロープが−0.61±0.03の指数的依存性を示し、バリオン結合停止の予測と整合的である。
• RHICにおける中性子異核衝突は、絶対的バリオン停止を測定するためのクリーンな環境を提供し、バリオン数がクォークかゲージ結合によって運ばれるかを直接テスト可能である。
• RHICの運動学的条件における半包含的光核反応（γ + p/A）は、中央および前方急速度領域におけるネットバリオン生成を通じてバリオン結合の痕跡を探索するためのバックグラウンドフリーな環境を提供する。
• iTPC、EPDおよびFTS/FCSを備えたアップグレード版STAR検出器は、γ+Au過程におけるネットバリオン分布の高精度測定を可能にする。
• e+Auおよびe+p衝突に加え、ePICおよび潜在的な第二検出器を備えたEICは、xおよびQ²の関数としてのネットバリオンおよびネット電荷分布の詳細な研究を可能にし、バリオン結合モデルの検証を可能にする。
• e+Au衝突における後方光生成の排他的過程（例：γ*p → ωp）の将来的な測定は、ゲージ結合に関連するバリオン停止メカニズムをさらに制限する可能性を有する。