[논문 리뷰] Baryon number in proton-proton and proton-nucleus high energy collisions

M. Jeżabek, A. Rybicki|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 28.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 현대적인 NA49 데이터와 이중 파article 모델(DPM) 및 새로 제안된 구상자 교환 모델(GEM)을 사용하여 √sNN = 17.3 GeV에서의 양성자-양성자 및 양성자-탄소 충돌에서의 바리온 수 운반을 조사한다. 표준 이중 쿼크 보존 메커니즘이 다중 핵자 충돌에서 바리온 스펙트럼을 설명하지 못함을 발견하였으며, 이는 이중 쿼크의 빈번한 분해와 함께 새로운 도식을 통해 장거리 바리온 수 운반을 가능하게 한다.

ABSTRACT

New analyses of baryon spectra in proton-proton and proton-carbon collisions at $\sqrt{s}_\mathrm{_{NN}}=17.3$ GeV, made in the framework of two phenomenological models are presented. The first model in question is the classic Dual Parton Model by Capella and Tran Thanh Van, the second is the Gluon Exchange Model very recently proposed by the authors. For both studies, the usage of modern experimental data from the CERN SPS eliminates several of the most important limitations inherent to earlier studies of this type. In both studies, the standard mechanism of baryon stopping with preservation of the diquark, proposed by Capella and Tran Thanh Van fails to describe the distribution of non-strange baryons in collisions of the projectile proton with {\em more than one} nucleon from the carbon target obtained from experimental data, and the upper limit for the contribution of this mechanism can be established. In both cases, the conclusion is that the projectile diquark must be very often disintegrated. This opens new diagrams not available in proton-proton collisions which lead to the transport of baryon number over long distances in rapidity. The present limitations, and possibility of improvement in both approaches are discussed. The implications of our findings for new measurements are addressed, in particular using antiproton beams.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 양성자-양성자 및 양성자-핵 충돌에서 바리온 수 운반의 역학을 이해하는 것.
• 최신 실험 데이터를 활용하여 표준 이중 쿼크 보존 메커니즘이 바리온 정지 현상에서 유효한지 테스트하는 것.
• 이중 파article 모델(DPM)의 한계를 평가하고 새로 제안된 구상자 교환 모델(GEM)의 잠재력을 평가하는 것.
• 특히 반양성자-핵 충돌에서 이중 쿼크 분해와 다단계 상호작용 과정을 탐색하기 위한 새로운 실험적 서명을 규명하는 것.
• 이소스핀 효과를 통합하고 사고 영역의 양성자 및 중성자 스펙트럼을 완전히 다루는 방식으로 현상론적 모델을 개선하는 것.

제안 방법

• √sNN = 17.3 GeV에서의 pp 및 pC 충돌에서의 양성자 및 중성자 스펙트럼에 대한 고정밀 NA49 실험 데이터를 활용한다.
• 이중 쿼크 보존 및 이중 쿼크 분해 과정을 포함하기 위해 수정된 이중 파article 모델(DPM)을 적용한다.
• 색-팔봉(색-팔봉) 교환과 이중 쿼크 분해를 포함한 Fock 공간이 크게 확장된 새로운 확장 모델인 구상자 교환 모델(GEM)을 도입한다.
• pp 및 pC 충돌에서 비-스트레인 바리온, 양성자 및 중성자에 중점을 두어 바리온 스펙트럼을 비교 분석한다.
• 스펙트럼을 사고 영역 전체에 걸쳐 통합하여 바리온 수 보존 원리를 통해 모델의 일관성을 검증한다.
• (xF, pT) 데이터의 이중 선형 보간을 수행하고, 빠르기 분포를 추출하여 pC 반응에서 다중 양성자-핵 충돌 기여를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DPM의 표준 이중 쿼크 보존 메커니즘이 다수의 핵자를 포함한 pC 충돌에서 바리온 스펙트럼을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ2 구상자 교환 모델(GEM)의 예측은 pp 및 pC 충돌에서의 양성자 및 중성자 스펙트럼 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 다중 핵자 pC 충돌에서 이중 쿼크 보존 과정의 기여도 상한은 얼마이며, DPM와 GEM 간에 어떻게 다를까?
• RQ4 이소스핀 효과는 바리온 정지에 어떻게 영향을 미치며, 왜 중성자 데이터가 이러한 효과를 제약하는 데 필수적인가?
• RQ5 특히 반양성자-핵 충돌에서 이중 쿼크 분해로 인한 다단계 상호작용 과정을 드러내는 새로운 실험적 서명은 무엇인가?

주요 결과

• DPM의 표준 이중 쿼크 보존 메커니즘은 프로젝타일이 한 개 이상의 핵자를 충돌시키는 pC 충돌에서 바리온 스펙트럼을 설명하지 못함을 보여주며, 이는 프로젝타일 양성자 내 이중 쿼크가 자주 분해되어야 한다는 것을 시사한다.
• 다중 핵자 pC 충돌에서 이중 쿼크 보존 과정의 기여도 상한은 모델에 따라 50%에서 67% 사이로 변동하며, 이는 이러한 과정만으로는 관측된 바리온 정지 현상을 설명할 수 없음을 의미한다.
• 구상자 교환 모델(GEM)은 특수한 분열 메커니즘을 요구하지 않고도 합리적인 바리온 정지 기술을 달성한다. 반면 DPM는 새로운 3-quark 구성에 대해 강한 이소스핀 효과를 필요로 한다.
• GEM는 고-xF 분광을 색-팔봉 교환의 특수한 케이스로 설명하며, 이는 이전에 분광 양성자 방출을 설명하는 데 사용된 해석에 도전한다.
• 모델들은 이중 쿼크 분해가 빠르기 영역에서 장거리 바리온 수 운반을 위한 새로운 도식을 가능하게 하며, 이는 기존 모델이 포착하지 못한 핵심 역학적 특성임을 보여준다.
• 향후 반양성자-핵 충돌에서의 측정을 통해 반이중 쿼크 분해로 인한 다단계 상호작용 도식이 드러나며, 부드러운 하드론 역학을 탐색하는 새로운 수단이 될 것으로 기대된다.