[论文解读] Effects of medium modification of pion production threshold in heavy ion collisions and the nuclear symmetry energy

Taesoo Song, Che Ming Ko|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用 3

一句话总结

本研究利用包含非线性相对论平均场相互作用的相对论性 Vlasov-Uehling-Uhlenbeck（RVUU）模型，研究了致密核物质中π介子产生阈值的介质修正对Au+Au碰撞中π介子产额及π⁻/π⁺比值的影响。结果表明，介质中阈值效应增强了总π介子产额和π⁻/π⁺比值，抵消了对称能的影响；而要重现实验数据，必须引入密度依赖的Δ共振态产生截面。

ABSTRACT

Using the relativistic Vlasov-Uehling-Uhlenbeck (RVUU) equation based on mean fields from the nonlinear relativistic models, we study the effect of medium modification of pion production threshold on the total pion yield and the $π^-/π^+$ ratio in Au+Au collisions. We find that the in-medium threshold effect enhances both the total pion yield and the $π^-/π^+$ ratio, compared to those without this effect. Furthermore, including the medium modification of the pion production threshold in asymmetric nuclear matter leads to a larger $π^-/π^+$ ratio for the $NLρδ$ model with a stiffer symmetry energy than the $NLρ$ model with a softer symmetry energy, opposite to that found without the in-medium threshold effect. Experimental data from the FOPI Collaboration are reproduced after including a density-dependent cross section for $Δ$ baryon production from nucleon-nucleon collisions, which suppresses the total pion yield but hardly changes the $π^-/π^+$ ratio. The large errors in the experimentally measured $π^-/π^+$ ratio prevent, however, the distinction between the predictions from the $NLρ$ and $NLρδ$ models.

研究动机与目标

• 研究介质中π介子产生阈值效应在非对称核物质中对π介子产额及π⁻/π⁺比值的影响。
• 评估此类阈值效应如何改变π⁻/π⁺比值对高密度下核对称能刚性的敏感性。
• 将理论预测与FOPI合作组的实验数据进行比较，特别关注密度依赖的Δ产生截面的作用。
• 确定是否可通过引入介质修正阈值，使理论模型与Au+Au碰撞中观测到的π介子产额和比值相一致。

提出的方法

• 采用相对论性 Vlasov-Uehling-Uhlenbeck（RVUU）方程，模拟Au+Au碰撞中核子、Δ共振态及π介子相空间分布的时间演化。
• 使用包含标量与矢量介子交换的非线性相对论平均场模型，引入同位旋标量与同位旋矢量相互作用，以描述核物质性质。
• 显式引入核子、Δ共振态及π介子的不同同位旋态，以考虑非对称物质中同位旋依赖的动力学行为。
• 利用相对论能量-动量守恒及平均场自能，计算介质中Δ⁻衰变为n和π⁻的阈值能量。
• 包含来自标量与矢量平均场的协变阈值效应，自能由相对论平均场拉格朗日量及运动方程导出。
• 引入NN碰撞中Δ产生截面的密度依赖性，以匹配实验π介子产额，同时保持π⁻/π⁺比值不变。

实验结果

研究问题

• RQ1 介质中π介子产生阈值的修正如何影响Au+Au碰撞中的总π介子产额？
• RQ2 介质修正阈值在多大程度上改变π⁻/π⁺比值？其依赖关系如何随核对称能刚性的变化而变化？
• RQ3 是否可通过引入介质中阈值效应，使理论预测与FOPI合作组的实验数据相一致？
• RQ4 对称能刚性与阈值效应之间的相互作用如何影响π⁻/π⁺比值对高密度核物质性质的敏感性？
• RQ5 Δ产生截面的密度依赖性在不扭曲π⁻/π⁺比值的前提下，对重现实验π介子产额起到何种作用？

主要发现

• 与未考虑该效应的计算相比，介质中阈值效应增强了总π介子产额和π⁻/π⁺比值。
• 矢量平均场的阈值效应倾向于抵消甚至反转核对称能对π⁻/π⁺比值的影响，降低其对对称能刚性的敏感性。
• 标量平均场的贡献无论对称能刚性如何，均增加π介子产额，表明其具有普遍增强效应。
• 要重现FOPI合作组的实验总π介子产额，必须引入密度依赖的Δ产生截面，该截面可抑制产额而不改变π⁻/π⁺比值。
• 尽管产额匹配得到改善，但由于实验中π⁻/π⁺比值的不确定性较大，仍无法在NLρ与NLρδ模型之间做出明确区分，尽管NLρδ模型在包含阈值效应时预测了更大的π⁻/π⁺比值。
• 阈值效应导致在Δ⁻静止参考系中，当π介子动量不为零（|p| ≠ 0）时，Δ⁻质量出现最小值，且该最小值出现在π介子动量与自能矢量方向一致时，这与自由空间中阈值发生在|p| = 0的假设相矛盾。