[论文解读] Baryon Production at LHC Experiments: Average pt of Hyperons vs. Energy

O. I. Piskounova|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文利用夸克-胶子弦模型（QGSM）分析了LHC及此前对撞机中质子-质子和质子-反质子碰撞中超子的横向动量（$p_t$）谱。研究发现，$̄Lambda^0$超子的平均$p_t$随质心系能量从$√s = 53$ GeV增至7 TeV持续上升，且强子产生动力学未发生显著变化，表明宇宙射线‘膝’能峰（约$4 \times 10^{15}$ eV）更可能源于天体物理机制，而非强子产生阈值效应。

ABSTRACT

This paper examines the transverse momentum spectra of baryons in the multi-particle production at modern colliders using Quark-Gluon String Model (QGSM). It discusses 1) the difference in Λ^0 hyperon spectra at antiproton-proton vs. proton-proton reactions; 2) the growth of average transverse momenta of Λhyperon with proton-proton collision energies and 3) the dependence of average p_t on the masses of mesons and baryons at the LHC energy 7 TeV. This analysis of baryon spectra led to the following conclusions. First, the fragmentation of antidiquark-diquark side of the pomeron diagram makes the major contribution to baryon production spectra in the asymmetric antiproton-proton reaction. Second, the average p_t's of hyperons steadily grow with energy on the range from 53 GeV to 7 TeV. Since no dramatic changes were seen in the characteristics of baryon production, the hadroproduction processes do not cause the "knee" in the cosmic ray proton spectra at the energies between Tevatron and LHC.

研究动机与目标

• 研究从ISR到LHC的质子-质子和反质子-质子碰撞中$\Lambda^0$超子的平均横向动量（$p_t$）随能量的变化特性。
• 评估在LHC能量下强子产生动力学是否发生显著变化，特别是与宇宙射线质子谱中约$4 \times 10^{15}$ eV处的‘膝’峰的关系。
• 利用夸克-胶子弦模型（QGSM）解释并预测不同能量尺度下的$p_t$谱。
• 比较质子-质子与反质子-质子反应中的$p_t$谱，以探测多粒子产生过程中的对称性差异。
• 为改进蒙特卡罗事件生成器（如Pythia、LUND）提供基础，整合能量依赖的$p_t$趋势。

提出的方法

• 应用夸克-胶子弦模型（QGSM）描述通过胶球交换产生的强子，包括二夸克-反二夸克碎片化形成超子的过程。
• 通过指数函数$\exp(-B p_t)$拟合横向动量分布$dN/dp_t$，提取各能量下的斜率参数$B$。
• 比较从$\sqrt{s} = 53$ GeV到7 TeV的$p$-$p$（ISR、STAR、ALICE、ATLAS、CMS）与$\bar{p}$-$p$（UA1、UA5、CDF）实验的$p_t$谱。
• 从拟合谱中计算平均$p_t$值，重点关注0.3–8 GeV/c的$p_t$范围，该区域斜率影响最显著。
• 在QGSM框架下建模$p_t$的能量依赖性，考虑$x_F$依赖性及多胶球交换贡献。
• 将分析扩展至重强子（B介子），利用LHCb在$\sqrt{s} = 7$ TeV下的数据拟合QGSM，评估$p_t$对质量的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在质子-质子碰撞中，从$\sqrt{s} = 53$ GeV到7 TeV，$\Lambda^0$超子的平均横向动量（$p_t$）如何随质心系能量演化？
• RQ2 在相似能量下，$p$-$p$与$\bar{p}$-$p$碰撞中$p_t$谱的差异如何解释，特别是在QGSM框架下？
• RQ3 在LHC能量（$\sqrt{s} = 7$ TeV）下，强子产生是否表现出动力学上的显著变化，从而可解释宇宙射线质子谱中约$4 \times 10^{15}$ eV处的‘膝’峰？
• RQ4 QGSM框架能否解释$p_t$谱的能量依赖性，特别是随着$\sqrt{s}$增加谱变硬的现象？
• RQ5 观测到的$p_t$增长是否与QGSM模型中的多胶球交换效应及$x_F$依赖性一致？

主要发现

• 从$\sqrt{s} = 53$ GeV到7 TeV，$\Lambda^0$超子的平均横向动量（$p_t$）随质心系能量持续增长，遵循幂律依赖关系$\langle p_t \rangle \propto s^{0.05}$。
• 指数$p_t$谱的斜率参数$B$从ISR（$\sqrt{s} = 53$ GeV）的$B_0 = 4.6$下降至LHC（$\sqrt{s} = 7$ TeV）的$B_0 = 2.1$，表明谱变硬。
• QGSM将$p$-$p$与$\bar{p}$-$p$碰撞中$p_t$谱的差异归因于胶球图中能量分配的不对称性，反质子-质子碰撞中二夸克-反二夸克侧吸收了更多横向能量。
• 在$\sqrt{s} = 7$ TeV以下未观测到强子产生动力学的显著变化，对应实验系能量达$2.5 \times 10^{16}$ eV，表明宇宙射线‘膝’峰并非由强子产生阈值引起。
• 在$\sqrt{s} = 7$ TeV下，B介子的平均$p_t$估计为4.46 GeV/c，接近B介子质量，表明重味强子产生中产生了强烈的横向动量。
• QGSM将$p_t$的能量依赖性归因于残余的$x_F$依赖性及短程多胶球链，能量守恒机制更倾向于在更高$\sqrt{s}$下产生更硬的谱。