[論文レビュー] Unveiling the strong interaction among hadrons at the LHC

Acharya, Shreyasi, D. Adamová+1023 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるpp衝突において、ALICE検出器を用いて陽子–ハイパーロン相関の精度測定を実施し、ハドロン間の短距離強い相互作用ダイナミクス（特にp–Ω⁻およびp–Ξ⁻）を、格子QCD予測と同等の実験的精度で抽出することに成功した。この手法は、高分解能の運動量測定と相関関数解析を活用し、従来の散乱実験では到達できなかった領域におけるハドロン–ハドロン相互作用を解明するものである。

ABSTRACT

One of the key challenges for nuclear physics today is to understand from first principles the effective interaction between hadrons with different quark content. First successes have been achieved using techniques that solve the dynamics of quarks and gluons on discrete space-time lattices . Experimentally, the dynamics of the strong interaction have been studied by scattering hadrons off each other. Such scattering experiments are difficult or impossible for unstable hadrons and so high-quality measurements exist only for hadrons containing up and down quarks. Here we demonstrate that measuring correlations in the momentum space between hadron pairs produced in ultrarelativistic proton–proton collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) provides a precise method with which to obtain the missing information on the interaction dynamics between any pair of unstable hadrons. Specifically, we discuss the case of the interaction of baryons containing strange quarks (hyperons). We demonstrate how, using precision measurements of proton–omega baryon correlations, the effect of the strong interaction for this hadron–hadron pair can be studied with precision similar to, and compared with, predictions from lattice calculations . The large number of hyperons identified in proton–proton collisions at the LHC, together with accurate modelling of the small (approximately one femtometre) inter-particle distance and exact predictions for the correlation functions, enables a detailed determination of the short-range part of the nucleon-hyperon interaction.

研究の動機と目的

• 寿命が短く不安定なハドロン、特にハイパーロンの間の強い相互作用を研究するという実験的課題を克服すること。
• pp衝突における運動量空間相関を用いた、ハドロン–ハドロン相互作用を高精度で測定する手法を開発すること。
• p–Ω⁻およびp–Ξ⁻相互作用に関する実験的データを、格子QCD計算と同等の精度で提供すること。
• 核子–ハイパーロン相互作用に関する理論的予測を検証し、ハイパーロン–核子力のモデルを制約すること。
• ハイパーロンが中性子星の内部に果たす役割を理解するために、その相互作用ダイナミクスを測定すること。

提案手法

• LHCにおける√s = 13 TeVのpp衝突で、ハドロン対（p–Ω⁻、p–Ξ⁻）の運動量空間相関をALICE検出器を用いて測定する。
• 短距離相互作用を解明できるように、<1%（pT < 1 GeV/c）の高精度な粒子同定と運動量分解能を適用する。
• 混合イベント正規化、有限な運動量分解能、誤同定された粒子や弱い崩壊からの残余相関を補正する。
• 非相互作用領域（500 < k∗ < 800 MeV/c）で相関関数が1になるように、k∗に依存する補正係数ξ(k∗)を用いて正規化する。
• 実験的に決定された残余相関形状を用いて、誤同定された粒子や崩壊生成物（例：Λ → pπ⁻ からの陽子）の寄与を差し引く。
• 補正済み相関関数を、(2+1)フレーバーQCDとほぼ物理的クォーク質量（mπ = 146 MeV/c²）を用いたHAL QCD格子QCD計算の理論予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるpp衝突の運動量空間相関を用いて、ハイパーロンのような不安定なハドロン間の強い相互作用に関する高精度な情報を抽出できるか？
• RQ2 p–Ω⁻およびp–Ξ⁻対の実験的相関関数は、格子QCD計算の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 最終状態相互作用および検出器効果が観測された相関関数に与える影響は何か？ そして、それらはどのように補正できるか？
• RQ4 測定されたp–Ω⁻およびp–Ξ⁻相関関数は、核子–ハイパーロン相互作用に関する理論的予測をどの程度検証するか？
• RQ5 粒子同定、正規化、分解能に起因する系統的不確実性は、抽出された相互作用パラメータの精度にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 測定されたp–Ω⁻およびp–Ξ⁻相関関数は、t/a = 12におけるHAL QCD格子QCD予測と良好に一致しており、理論計算の妥当性が裏付けられた。
• 真の相関関数における系統的不確実性は、低k∗領域でp–Ξ⁻に対して最大9%、p–Ω⁻に対して最大8%にとどまり、高い実験的精度を示した。
• この手法により、格子QCD計算と同等の実験的精度が達成され、第一原理的QCD予測との直接比較が可能になった。
• 短距離領域の核子–ハイパーロン相互作用は、粒子間距離が非常に小さく（約1 fm）、pp衝突における統計的精度が高いため、高精度で決定された。
• 誤同定された粒子や弱い崩壊からの残余寄与は、実験的に定量され、差し引かれたため、真の強い相互作用効果のクリアな抽出が可能になった。
• この解析により、LHCにおけるpp衝突が、特に寿命の短いハイパーロンを含む系において、ハドロン–ハドロン相互作用を研究するための特異的かつ強力な環境を提供することが確認された。