[논문 리뷰] First observation of an attractive interaction between a proton and a multi-strange baryon

ALICE Collaboration|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|2019. 04. 27.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 44인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ALICE 검출기에서 $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$ TeV에서의 p–Pb 충돌을 통해 양성자와 다중이상보리온($\Xi^{-}$) 사이의 강한 인력 작용을 두 입자 상관 측정을 통해 처음으로 실험적으로 관측한다. 측정된 상관 함수는 쿠론 상호작용만을 고려한 예측을 뛰어넘는 유의미한 증가를 보이며, $3.6$--$5.3\sigma$의 유의수준을 보이며 강한 인력 작용을 확인한다. 이는 HAL-QCD 격자 QCD 계산 결과($1.8$--$3.7\sigma$)와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 이종보리온-핵자 상호작용에서 중요한 부족 요소인 양성자와 다중이상보리온($\Xi^{-}$) 사이의 강한 상호작용을 실험적으로 탐색하기 위해.
• 특히 HAL-QCD 격자 QCD 계산에 기반한 $\Xi^{-}$-핵자 상호작용 예측을 고정밀도 두 입자 상관 기법을 사용해 검증하기 위해.
• 중성자-rich 물질 내 $\Xi^{-}$의 단일 입자 잠재력에 대한 제약을 두어 중성자별의 상태방정식(EoS)에 영향을 주는 것을 목적으로 한다.
• 이전 연구에서 통계적 불확실성이 크거나 고에너지 충돌 데이터에서 오염이 심한 등의 한계를 극복하기 위해.
• 소형 시스템(p–Pb)과 실제 잠재력으로서의 셰로딩거 방정식 해법을 위한 CATS 도구를 활용한 새로운 실험적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• p–Pb 충돌에서 $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=5.02$ TeV 조건 하에 양성자와 $\Xi^{-}$ 보리온($\mathrm{p{--}\Xi^{-}}$) 및 그 반입자($\overline{\mathrm{p}}{\rm--}\overline{\Xi}^{+}$) 간의 두 입자 운동량 공간 상관 측정을 수행한다.
• 입자 및 반입자 쌍의 상관을 조합하여 통계적 정밀도를 향상시키고 배경 효과를 감소시킨다.
• 실제 강한 상호작용 잠재력이 포함된 경우와 포함되지 않은 경우의 이론적 상관 함수를 계산하기 위해 CATS(Correlation Analysis Tool using the Schr"odinger equation)를 사용한다.
• 쿠론 상호작용만을 가정한 예측과 HAL-QCD 격자 QCD 계산에서 유도된 강한 상호작용 잠재력이 포함된 예측과 측정된 상관 함수를 비교한다.
• 쿠론 상호작용만을 고려한 예측에서의 편차를 정량화하기 위해 통계적 유의수준 검정을 수행하여 강한 상호작용 존재 여부를 평가한다.
• 추출된 잠재력을 이용해 순수 중성자 물질 내 $\Xi^{-}$의 단일 입자 잠재력을 계산하고, 중성자별 모델링에 기여한다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양성자와 $\Xi^{-}$ 보리온 사이에 강한 인력 작용에 대한 실험적 증거가 있는가?
• RQ2 측정된 p–$\Xi^{-}$ 상관 함수는 쿠론 상호작용만을 가정한 예측과 어떻게 다른가?
• RQ3 관측된 상관 함수는 p–$\Xi^{-}$ 상호작용에 대한 격자 QCD 계산 결과와 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 $\Xi^{-}$–핵자 상호작용은 중성자-rich 물질 및 중성자별의 상태방정식에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 소형 강입자 시스템(p–Pb)에서의 두 입자 상관은 짧은 거리 범위의 강한 상호작용을 깔끔하게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 p–$\Xi^{-}$ 상관 함수는 쿠론 상호작용만을 고려한 예측을 뛰어넘는 유의미한 증가를 보이며, $3.6$--$5.3\sigma$의 유의수준을 보이며 강한 인력 작용에 대한 첫 실험적 증거를 제공한다.
• 데이터는 HAL-QCD 격자 QCD 계산에서 예측한 p–$\Xi^{-}$ 상호작용과 일치하며, $1.8$--$3.7\sigma$의 유의수준을 보이며 오차 범위 내에서 일치함을 나타낸다.
• 관측된 강한 인력은 중성자 물질 내 $\Xi^{-}$에 대해 浅고 인력적인 단일 입자 잠재력을 암시하며, 중간 밀도에서의 존재를 유리하게 만든다.
• 이 인력 작용은 중성자-rich 물질의 상태방정식(EoS)을 연약하게 만들며, 이는 중성자별의 구조와 최대 질량 한계에 직접적인 함의를 지닌다.
• 이 결과는 소형 시스템(p–Pb)에서의 두 입자 상관이 낯설기 쉬운 강한 상호작용을 탐지하는 정밀한 도구로 사용될 수 있음을 검증한다.
• 이 연구는 향후 하이퍼온-핵자 및 하이퍼온-하이퍼온 상호작용 연구의 새로운 기준을 설정하며, 하이퍼온을 포함한 현실적인 중성자별 모델링에 필수적인 요소가 된다.

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