[논문 리뷰] Search for baryon junctions in photonuclear processes and isobar collisions at RHIC

Nicole Lewis, Lv, Wendi외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 12.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초고속 상대론적 중이온 충돌에서 바리온 수가 양성자 쿼크가 아니라 비파erturbative Y형 글루온 접합부에 의해 운반될 수 있다고 제안하며, 기울기가 −0.61±0.03인 지수형 순바리온 빠르기 분포를 예측한다. 이는 RHIC와 EIC에서 이소바르 및 광자핵 반응을 통해 순바리온 정지와 준포괄적 과정을 통해 검증할 것을 주장하며, 설명되지 않은 중간 빠르기 바리온 과잉 현상에 대한 해결책을 제공한다.

ABSTRACT

During the early development of Quantum Chromodynamics, it was proposed that baryon number could be carried by a non-perturbative Y-shaped topology of gluon fields, called the gluon junction, rather than by the valence quarks as in the QCD standard model. A puzzling feature of ultra-relativistic nucleus-nucleus collisions is the apparent substantial baryon excess in the midrapidity region that could not be adequately accounted for in most conventional models of quark and diquark transport. The transport of baryonic gluon junctions is predicted to lead to a characteristic exponential distribution of net-baryon density with rapidity and could resolve the puzzle. In this context we point out that the rapidity density of net-baryons near midrapidity indeed follows an exponential distribution with a slope of $-0.61\pm0.03$ as a function of beam rapidity in the existing global data from A+A collisions at AGS, SPS and RHIC energies. To further test if quarks or gluon junctions carry the baryon quantum number, we propose to study the absolute magnitude of the baryon vs. charge stopping in isobar collisions at RHIC. We also argue that semi-inclusive photon-induced processes ($γ+p$/A) at RHIC kinematics provide an opportunity to search for the signatures of the baryon junction and to shed light onto the mechanisms of observed baryon excess in the mid-rapidity region in ultra-relativistic nucleus-nucleus collisions. Such measurements can be further validated in A+A collisions at the LHC and $e+p$/A collisions at the EIC.

연구 동기 및 목표

• RHIC와 LHC에서 관측된 A+A 및 이소바르 충돌에서 설명되지 않은 중간 빠르기 바리온 과잉 현상을 해결하기 위해, 기존의 쿼크/디쿼크 운반 모델이 설명하지 못하는 현상에 대비한다.
• 초기 QCD 모델에서 제안된 바와 같이, 바리온 수가 양성자 쿼크가 아니라 비파erturbative Y형 글루온 접합부에 의해 운반된다는 가설을 검증한다.
• 특히 이소바르 충돌에서의 순바리온 정지와 준포괄적 광자핵 반응을 통해 쿼크와 접합부에 의한 바리온 운반 간의 차이를 식별할 수 있는 측정 가능한 관측량을 제안한다.
• 향후 업그레이드된 STAR 검출기와 정밀한 바리온 및 전하 측정이 가능한 계획된 EIC 실험 데이터를 활용해 글루온 접합부 모델을 검증한다.
• EIC에서의 e+A 및 e+p 충돌에서 빠르기 의존성에 따른 순바리온 및 순전하 분포를 통해 바리온 접합도 그림을 테스트할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• AGS, SPS, RHIC의 기존 A+A 충돌 데이터를 분석하여 순바리온 밀도의 빠르기 의존성을 추출하며, 기울기가 −0.61±0.03인 지수형 분포를 발견한다.
• RHIC에서 이소바르 충돌(예: 96Zr + 96Ru)을 제안하여 절대 바리온 정지와 전하 정지를 측정함으로써 접합부 대비 쿼크 운반 간의 명확한 테스트를 제공한다.
• RHIC 운동학 조건에서 준포괄적 광자핵 반응(γ + p/A)을 모델링하여 중심 및 전방 빠르기 영역에서의 순바리온 생성을 통해 바리온 접합부의 신호를 탐색한다.
• 이벤트 생성기(예: BeAGLE, PYTHIA)를 사용하여 쿼크 대비 접합부 운반 가정 하에 바리온 생성을 시뮬레이션하고 예측치를 비교한다.
• iTPC, EPD, FTS/FCS를 통한 확장된 위상속도 영역과 더 나은 트리거 순도를 갖춘 향후 STAR 검출기 업그레이드를 활용하여 γ+Au 과정에서의 순바리온 측정 정밀도를 향상시킨다.
• EIC에서 e+Ru 및 e+Zr 충돌을 제안하여 x와 Q²에 따른 순바리온 및 순전하 분포를 측정함으로써 바리온 접합부 모델의 직접적 검증을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 A+A 충돌에서 관측된 순바리온 빠르기 분포가 바리온 접합부 정지에 의해 예측된 바와 같이 지수형 형태를 따르는가?
• RQ2 RHIC에서의 이소바르 충돌이 바리온 수 운반 방식이 양성자 쿼크인지 글루온 접합부인지 구분할 수 있는가?
• RQ3 RHIC 운동학 조건에서 준포괄적 γ + A 과정이 중심 및 전방 빠르기 영역에서의 순바리온 생성 패atters를 통해 바리온 접합부의 징후를 드러내는가?
• RQ4 향후 EIC에서의 e+A 충돌에서의 순바리온 및 순전하 분포 측정이 바리온 접합부 모델을 제약할 수 있는가?
• RQ5 γ*A → X + p 과정에서 광자의 가상성은 바리온 생성에 어떤 역할을 하는가? 그리고 이를 통해 접합부 역학을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• AGS, SPS, RHIC에서의 A+A 충돌에서 순바리온 빠르기 분포는 기울기가 −0.61±0.03인 지수형 의존성을 보이며, 바리온 접합부 정지에 의한 예측과 일치한다.
• RHIC에서의 이소바르 충돌은 절대 바리온 정지를 측정할 수 있는 청소년적 환경을 제공하며, 바리온 수가 쿼크인지 글루온 접합부에 의해 운반되는지에 대한 직접적 테스트를 가능하게 한다.
• RHIC 운동학 조건에서 준포괄적 광자핵 반응(γ + p/A)은 중심 및 전방 빠르기 영역에서의 순바리온 생성을 통해 바리온 접합부의 징후를 배경 없이 탐색할 수 있는 환경을 제공한다.
• iTPC, EPD, FTS/FCS를 통한 확장된 위상속도 영역을 갖춘 업그레이드된 STAR 검출기는 γ+Au 과정에서의 순바리온 분포를 고정밀도로 측정할 수 있게 된다.
• e+Au 및 e+p 충돌과 함께 고도화된 검출기(ePIC, 잠재적 두 번째 검출기)를 갖춘 EIC는 x와 Q²에 따른 순바리온 및 순전하 분포의 세밀한 연구를 통해 바리온 접합부 모델을 테스트할 수 있다.
• 배경 광생성 측정에서의 향후 측정, 특히 먼 전방 빠르기 영역에서의 배제적 과정 γ*p → ωp에서의 후방 광생성은 글루온 접합부와 관련된 바리온 정지 메커니즘을 추가로 제약할 수 있다.