[논문 리뷰] Nonmesonic decay of the Lambda hyperon in nuclear matter - implications on the weak Lambda-N interaction

W. Cassing, L. Jarczyk외 7명|arXiv (Cornell University)|2001. 09. 17.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 COSY-Jülich에서 프로톤-Au, Bi, U 충돌에서 생성된 무거운 하이퍼핵에서 Λ 하이퍼온의 수명을 측정하여 τΛ = 145 ± 11 ps를 도출한다. 이 값은 메존 교환 모형이 ΔI = 1/2 규칙을 가정할 때 예측하는 것보다 유의미하게 짧으며, 이는 비메존 ΛN 붕괴에서 이 규칙이 어길 가능성이 있음을 시사한다. 특히 무거운 핵에서 ΔI = 3/2 전이가 더 강하게 지배할 가능성이 있다.

ABSTRACT

The lifetime of the Lambda hyperon in heavy hypernuclei as measured by the COSY-13 Collaboration in proton - Au, Bi and U collisions has been analysed to yield tau(Lambda) = (145 +- 11) ps. This value for tau(Lambda) is compatible with the lifetime extracted from antiproton annihilation on Bi and U targets, however, much more accurate. We find that the dependence of the lifetime tau(Lambda) on the mass of hypernuclei indicates a violation of the phenomenological Delta I = 1/2 rule known from the weak mesonic decays of strange particles. PACS: {13.30.-a}{Decays of baryons} {13.75.Ev}{Hyperon-nucleon interaction} {21.80}{Hypernuclei} {25.80.Pw}{Hyperon-induced reactions}

연구 동기 및 목표

• Au, Bi, U 타겟에 대한 프로톤 유도 반응에서 생성된 무거운 하이퍼핵 내 Λ 하이퍼온의 수명을 정밀하게 측정하기 위해.
• 핵물질 내에서 비메존 ΛN 붕괴에 대한 현상학적 ΔI = 1/2 규칙의 타당성을 시험하기 위해.
• 하이퍼핵에서의 Γn/Γp 붕괴 비율에 대한 이론적 예측과 실험 데이터 사이의 오랫동안 지속된 괴리 문제를 해결하기 위해.
• 자유 상태에서의 하이퍼온 붕괴에 대해 유효한 ΔI = 1/2 규칙이 밀도가 높은 핵 환경에서도 유지되는지 평가하기 위해.
• 메존 교환 기반의 이론 모형과 ΔI = 1/2 규칙을 가정한 모형이 관측된 하이퍼핵 수명을 재현할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• COSY-Jülich 가속기에서 반동 그림자 방법을 활용하여 프로톤 유도 반응에서 생성된 하이퍼핵의 붕괴를 탐지하고 재구성하였다.
• Au, Bi, U 충돌의 데이터를 분석하여 A ≈ 40–238의 광범위한 질량 및 전하 범위에서 Λ 하이퍼온 수명을 추출하였다.
• 다양한 실험의 결과를 조합하여 가중 평균 수명 τΛ = 145 ± 11 ps를 확보하였다.
• ΔI = 1/2 규칙을 가정한 메존 교환 모형의 이론적 예측과 측정된 수명을 비교하였다.
• ΔI = 3/2 전이를 允허하는 위상공간 모형의 예측과 측정된 수명의 일관성을 평가하였다.
• 관측된 수명을 바탕으로 Γn/Γp 비율을 추론하여, 중간에서 ΔI = 1/2 규칙 위반이 발생할 가능성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무거운 하이퍼핵 내 Λ 하이퍼온의 측정된 수명이 비메존 ΛN 붕괴에서 ΔI = 1/2 규칙을 가정한 이론적 예측과 모순되는가?
• RQ2 자유 상태에서의 이상한 하드론 붕괴에 대해 유효한 ΔI = 1/2 규칙이 고밀도 핵물질에서는 어느 정도 유지되는가?
• RQ3 관측된 하이퍼핵 수명은 오직 ΔI = 1/2 전이를 가정한 모형으로 설명될 수 있는가, 아니면 ΔI = 3/2 기여가 필수적인가?
• RQ4 무거운 하이퍼핵에서 Γn/Γp 붕괴 비율이 1보다 유의미하게 큰가, 측정된 수명으로부터 유도되는가?
• RQ5 메존 교환 기반의 이론 모형이 짧은 거리의 쿼크 동역학을 고려하지 않아 중간 상태에서 Λ 하이퍼온 붕괴를 설명하지 못하는가?

주요 결과

• COSY-Jülich에서 프로톤-Au, Bi, U 충돌의 데이터를 바탕으로 무거운 하이퍼핵 내 Λ 하이퍼온의 수명은 τΛ = 145 ± 11 ps로 측정되었다.
• 이 값은 Alberico 등(2000, ALB00A)의 ΔI = 1/2 규칙을 가정한 이론적 예측인 약 188 ps보다 2.7 표준편차 짧다.
• 또한 Jido 등(2001, JID01)의 ΔI = 1/2 규칙을 가정한 예측인 약 165 ps보다도 2.0 표준편차 짧다.
• 실험과 이론 간의 괴리는 비메존 붕괴에서 ΔI = 1/2 규칙이 핵물질 내에서 위반되었음을 시사한다.
• ΔI = 1/2 규칙을 기각하고 ΔI = 3/2 전이를 고려한 위상공간 모형이 측정된 수명을 더 잘 기술하며, 이는 ΔI = 3/2 전이의 상당한 기여를 시사한다.
• 관측된 수명은 A ≈ 40–100 범위에서 실험 데이터가 1.5에서 9.0 사이임을 고려할 때, 무거운 하이퍼핵에서 Γn/Γp 비율이 2를 초과함을 시사한다.