[论文解读] Baryon number in proton-proton and proton-nucleus high energy collisions

M. Jeżabek, A. Rybicki|arXiv (Cornell University)|May 28, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本文利用现代NA49实验数据和两种唯象模型——双重部分子模型（DPM）与新提出的胶子交换模型（GEM），研究了在√sNN = 17.3 GeV条件下质子-质子及质子-碳核碰撞中的重子数输运。研究发现，标准的二夸克保留机制无法描述多核子碰撞中的重子谱，必须频繁发生二夸克解体，并通过新图式实现长程重子数输运。

ABSTRACT

New analyses of baryon spectra in proton-proton and proton-carbon collisions at $\sqrt{s}_\mathrm{_{NN}}=17.3$ GeV, made in the framework of two phenomenological models are presented. The first model in question is the classic Dual Parton Model by Capella and Tran Thanh Van, the second is the Gluon Exchange Model very recently proposed by the authors. For both studies, the usage of modern experimental data from the CERN SPS eliminates several of the most important limitations inherent to earlier studies of this type. In both studies, the standard mechanism of baryon stopping with preservation of the diquark, proposed by Capella and Tran Thanh Van fails to describe the distribution of non-strange baryons in collisions of the projectile proton with {\em more than one} nucleon from the carbon target obtained from experimental data, and the upper limit for the contribution of this mechanism can be established. In both cases, the conclusion is that the projectile diquark must be very often disintegrated. This opens new diagrams not available in proton-proton collisions which lead to the transport of baryon number over long distances in rapidity. The present limitations, and possibility of improvement in both approaches are discussed. The implications of our findings for new measurements are addressed, in particular using antiproton beams.

研究动机与目标

• 理解高能质子-质子及质子-核碰撞中重子数输运的动力学机制。
• 利用现代实验数据检验标准二夸克保留机制在重子停止中的有效性。
• 评估双重部分子模型的局限性，并评估新提出的胶子交换模型（GEM）的潜力。
• 识别新的实验信号，特别是反质子-核碰撞中的信号，以探测二夸克解体和多步湮灭过程。
• 通过引入同位旋效应并完整覆盖射出喷射半球中质子和中子谱，改进唯象模型。

提出的方法

• 利用NA49在√sNN = 17.3 GeV下对pp和pC碰撞中质子与中子谱的高精度实验数据。
• 应用改进后的双重部分子模型（DPM），以包含二夸克保留和二夸克解体过程。
• 提出胶子交换模型（GEM），作为DPM的新型扩展，显著扩大了Fock空间，以包含胶色八重态交换和二夸克解体。
• 对重子谱进行对比分析，重点关注pp和pC碰撞中的非奇异重子、质子和中子。
• 利用重子数守恒作为交叉检验，对射出喷射半球的全部谱进行积分，以验证模型的一致性。
• 采用二维插值处理(xF, pT)数据，并提取快度分布，以分离pC反应中多个质子-核子碰撞的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在涉及多个核子的pC碰撞中，DPM中的标准二夸克保留机制在多大程度上能描述重子谱？
• RQ2 胶子交换模型（GEM）对pp和pC碰撞中质子与中子谱的预测与实验数据相比如何？
• RQ3 在多核子pC碰撞中，二夸克保留过程的贡献上限是多少？该上限在DPM与GEM中如何变化？
• RQ4 同位旋效应如何影响重子停止？为何中子数据对约束这些效应至关重要？
• RQ5 在反质子-核碰撞中，哪些新的实验信号（特别是）可揭示由于二夸克解体导致的多步湮灭过程？

主要发现

• 在pC碰撞中，若射出的质子与多个核子相互作用，DPM中的标准二夸克保留机制无法描述重子谱，表明射出质子中的二夸克必须频繁解体。
• 在多核子pC碰撞中，二夸克保留过程的贡献上限在50%至67%之间，具体取决于模型，表明此类过程本身无法解释观测到的重子停止。
• 胶子交换模型（GEM）在无需引入奇异的碎片化场景的情况下，合理描述了重子停止，而DPM则依赖于强同位旋效应来生成新的三夸克构型。
• GEM将高xF弹性散射解释为胶色八重态交换的特例，挑战了以往对弹性质子发射的解释。
• 模型表明，二夸克解体使得在快度方向上实现长程重子数输运的新图式成为可能，这是标准模型未能捕捉的关键动力学特征。
• 未来在反质子-核碰撞中的测量有望揭示由于反二夸克解体导致的多步湮灭图式，为软强子动力学提供新探针。