[论文解读] Unveiling the strong interaction among hadrons at the LHC

Acharya, Shreyasi, D. Adamová+1023 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本文利用LHC上的ALICE探测器，在pp碰撞中对质子-超子关联进行了精确测量，从而以与格点QCD预测相当的实验精度，提取了强子之间的短程强相互作用动力学——特别是p–Ω⁻和p–Ξ⁻系统。该方法利用高分辨率动量测量与关联函数分析，探测了以往散射实验无法触及的强子-强子相互作用区域。

ABSTRACT

One of the key challenges for nuclear physics today is to understand from first principles the effective interaction between hadrons with different quark content. First successes have been achieved using techniques that solve the dynamics of quarks and gluons on discrete space-time lattices . Experimentally, the dynamics of the strong interaction have been studied by scattering hadrons off each other. Such scattering experiments are difficult or impossible for unstable hadrons and so high-quality measurements exist only for hadrons containing up and down quarks. Here we demonstrate that measuring correlations in the momentum space between hadron pairs produced in ultrarelativistic proton–proton collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) provides a precise method with which to obtain the missing information on the interaction dynamics between any pair of unstable hadrons. Specifically, we discuss the case of the interaction of baryons containing strange quarks (hyperons). We demonstrate how, using precision measurements of proton–omega baryon correlations, the effect of the strong interaction for this hadron–hadron pair can be studied with precision similar to, and compared with, predictions from lattice calculations . The large number of hyperons identified in proton–proton collisions at the LHC, together with accurate modelling of the small (approximately one femtometre) inter-particle distance and exact predictions for the correlation functions, enables a detailed determination of the short-range part of the nucleon-hyperon interaction.

研究动机与目标

• 为克服研究寿命短暂、不稳定的强子（特别是超子）之间强相互作用的实验挑战。
• 开发一种利用pp碰撞中动量空间关联测量强子-强子相互作用的高精度方法。
• 提供p–Ω⁻与p–Ξ⁻相互作用的实验数据，其精度与格点QCD计算相当。
• 检验核子-超子相互作用的理论预测，并约束超子-核子力的模型。
• 通过测量其相互作用动力学，为理解超子在中子星内部的作用提供支持。

提出的方法

• 利用LHC上的ALICE探测器，在√s = 13 TeV的pp碰撞中测量强子对（p–Ω⁻，p–Ξ⁻）的动量空间关联。
• 应用高精度粒子识别与动量分辨率（pT < 1 GeV/c时小于1%），以解析短距离相互作用。
• 对测量得到的关联函数进行修正，以消除混合事件归一化、有限动量分辨率以及误识别粒子或弱衰变引起的残余关联。
• 使用依赖于k∗的修正因子ξ(k∗)，将关联函数在非相互作用区域（500 < k∗ < 800 MeV/c）归一化为1。
• 通过实验确定的残余关联形状，减去误识别粒子和衰变产物（如Λ → pπ⁻产生的质子）的贡献。
• 将修正后的关联函数与HAL QCD格点QCD计算结果进行比较，计算中采用(2+1)味QCD和接近物理的夸克质量（mπ = 146 MeV/c²）。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC中pp碰撞的动量空间关联能否用于精确提取不稳定强子（如超子）之间强相互作用的信息？
• RQ2 实验测量的p–Ω⁻与p–Ξ⁻关联函数在多大程度上能与格点QCD计算结果匹配？
• RQ3 最终态相互作用与探测器效应在多大程度上塑造了观测到的关联函数？如何对其进行修正？
• RQ4 测量得到的p–Ω⁻与p–Ξ⁻关联函数在多大程度上验证了核子-超子相互作用的理论预测？
• RQ5 粒子识别、归一化与分辨率带来的系统不确定性在多大程度上影响了提取的相互作用参数的精度？

主要发现

• 测量得到的p–Ω⁻与p–Ξ⁻关联函数在t/a = 12时与HAL QCD格点QCD预测高度一致，验证了理论计算的可靠性。
• 真实关联函数的系统不确定性在低k∗区域对p–Ξ⁻不超过9%，对p–Ω⁻不超过8%，表明实验精度极高。
• 该方法实现了与格点QCD计算相当的实验精度，使与第一性原理QCD预测的直接比较成为可能。
• 由于强子间距离极小（约1 fm）且pp碰撞中统计量高，核子-超子相互作用的短程部分得以高精度确定。
• 误识别粒子与弱衰变的残余贡献已通过实验手段量化并扣除，确保了真实强相互作用效应的清晰提取。
• 该分析证实，LHC中的pp碰撞为研究强子-强子相互作用（特别是涉及寿命短暂超子的系统）提供了独特且强大的实验环境。