[논문 리뷰] Production of light (anti)nuclei in pp collisions at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV

S. Acharya, D. Adamová외 1029명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 01.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 59인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 ALICE 검출기로 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 생성된 경량 (반)핵자—수소핵, 중수소핵, $^3$He—에 대한 현재까지 가장 정밀한 측정을 제시한다. 결과들은 핵자 대 수소핵 비율이 다중도에 따라 증가하며, 유사한 다중도에서 다양한 에너지와 충돌 시스템 간에 일관되며, 이는 충돌 에너지보다는 입자 다중도에 의해 지배되는 동일한 형성 메커니증체를 시사한다.

ABSTRACT

The study of the production of nuclei and antinuclei in pp collisions has proven to be a powerful tool to investigate the formation mechanism of loosely bound states in high-energy hadronic collisions. In this paper, the production of protons, deuterons and $^3$He and their charge conjugates at midrapidity is studied as a function of the charged-particle multiplicity in inelastic pp collisions at $\sqrt{s}=5.02$ TeV using the ALICE detector. Within the uncertainties, the yields of nuclei in pp collisions at $\sqrt{s}=5.02$ TeV are compatible with those in pp collisions at different energies and to those in p-Pb collisions when compared at similar multiplicities. The measurements are compared with the expectations of coalescence and Statistical Hadronisation Models. The results suggest a common formation mechanism behind the production of light nuclei in hadronic interactions and confirm that they do not depend on the collision energy but on the number of produced particles.

연구 동기 및 목표

• 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 경량 (반)핵자(p, d, $^3$He)와 그 반입자들의 생성 수확량을 측정하기 위해.
• 이 수확량이 영차입자 다중도와 횡방향 운동량에 어떻게 의존하는지 조사하기 위해.
• 소규모 시스템에서 경량 핵자의 생성 메커니즘이 충돌 에너지에 독립적인지 테스트하기 위해.
• 관측된 수확량의 다중도 의존성에 대해 공존 모형과 통계적 해론화 모형을 비교하여 이론적 기술의 제약을 설정하기 위해.

제안 방법

• 측정는 LHC의 ALICE 검출기에서 수행되었으며, 트래킹과 입자 식별을 위해 V0, ITS, TPC, TOF 부검출기들을 활용하였다.
• 영차입자 다중도는 충돌 중심도의 대체로 사용되는 V0 검출기의 신호 진폭을 이용하여 추정되었다.
• 입자 식별은 TOF와 TPC, ITS에서의 특정 에너지 손실을 통해 이루어졌으며, 수소핵, 중수소핵, $^3$He를 분리할 수 있었다.
• 공존 파라미터 $B_A$는 핵자와 수소핵의 횡방향 운동량 스펙트럼에서 추출되었으며, 관계식 $B_A = \frac{1}{2\pi p_T^A} \frac{d^2N_A}{dydp_T^A} \Big/ \left( \frac{1}{2\pi p_T^p} \frac{d^2N_p}{dydp_T^p} \right)^A$ 를 사용하였고, 이sovect 대칭성을 가정하였다.
• 검출기 효율성과 수용 범위 보정이 이루어졌으며, 체계적 불확실성은 전용 제어 샘플을 사용하여 평가되었다.
• 결과는 보편적 양자역학적 형성 메커니즘의 타당성을 평가하기 위해 캐논리컬 통계 모델(CSM)과 공존 모형의 예측과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp 충돌에서의 경량 (반)핵자 생성 수확량은 충돌 에너지에 의존하는가, 아니면 입자 다중도에 의존하는가?
• RQ2 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 측정된 핵자 대 수소핵 비율은 다른 에너지와 유사한 다중도에서 관측된 p–Pb 충돌의 비율과 일치하는가?
• RQ3 공존 모형과 통계적 해론화 모형이 관측된 (반)핵자 수확량의 다중도 의존성을 어느 정도 잘 기술하는가?
• RQ4 간단한 공존 모형이 예측하는 바와 같이, 공존 파라미터 $B_A$는 횡방향 운동량과 다중도에 독립적인가?

주요 결과

• 5.02 TeV에서의 pp 충돌에서 중수소핵과 $^3$He의 수확량은 유사한 영차입자 다중도로 정규화된 경우 다른 중심질량 에너지에서 측정된 값들과 일치한다.
• pp 충돌에서의 $d/p$ 및 $^3$He/p 비율은 다중도가 증가함에 따라 증가하며, 고다중도에서 Pb–Pb 충돌의 값과 유사한 수준에 도달한다.
• 중수소핵과 $^3$He의 공존 파라미터 $B_A$는 횡방향 운동량과 다중도에 대해 약한 의존성을 보이며, 이는 후기 단계의 공존 메커니즘과 일관됨을 시사한다.
• 데이터는 캐논리컬 통계 모델(CSM)에 의해 잘 기술되며, 이는 소규모 시스템에서의 캐논리컬 억제를 고려하고 고다중도에서 대규모 캐논리컬 값으로 수렴한다.
• 결과는 경량 핵자의 형성 메커니즘이 입자 생성 수에 의해 주로 지배되며 충돌 에너지에 따라 달라지지 않는 보편적인 메커니즘을 지지한다.
• pp, p–Pb, Pb–Pb 시스템 간의 다중도가 일치할 때의 일관성은 소규모와 대규모 시스템 모두에서 핵자 형성의 동일한 물리적 메커니즘이 존재함을 시사한다.