[论文解读] Exploring the N Lambda-N Lambda coupled system with high precision correlation techniques at the LHC

S. Acharya, D. Adamová+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用 56

一句话总结

该论文首次通过LHC在√s = 13 TeV的高多重性pp碰撞中，利用高精度两体关联技术，直接实验观测到pΛ系统中NΣ ↔ NΛ耦合通道动力学。关联函数在k* = 289 MeV/c处出现类似尖点的结构，为非弹性NΣ通道的开启提供了证据，限制了NΣ–NΛ跃迁势，并表明其耦合强度弱于先前假设，对中子星中超子相互作用及核物质方程状态具有影响。

ABSTRACT

The interaction of and hyperons (Y) with nucleons (N) is strongly influenced by the coupled-channel
 dynamics. Due to the small mass difference of the N and N systems, the sizable coupling strength of
 the N ↔ N processes constitutes a crucial element in the determination of the N interaction. In
 this letter we present the most precise measurements on the interaction of p pairs, from zero relative
 momentum up to the opening of the N channel. The correlation function in the relative momentum
 space for p ⊕ p pairs measured in high-multiplicity triggered pp collisions at √s = 13 TeV at the
 LHC is reported. The opening of the inelastic N channels is visible in the extracted correlation function
 as a cusp-like structure occurring at relative momentum k∗ = 289 MeV/c. This represents the first direct
 experimental observation of the N ↔ N coupled channel in the p system. The correlation function
 is compared with recent chiral effective field theory calculations, based on different strengths of the
 N ↔ N transition potential. A weaker coupling, as possibly supported by the present measurement,
 would require a more repulsive three-body NN interaction for a proper description of the in-medium
 properties, which has implications on the nuclear equation of state and for the presence of hyperons
 inside neutron stars.

研究动机与目标

• 通过两体关联技术，以高精度探测pΛ系统中的NΛ–NΣ耦合通道动力学。
• 利用实验数据解决NΣ ↔ NΛ跃迁势强度长期存在的不确定性。
• 限制NΛ相互作用及其对三体力和致密物质中核物质方程状态的影响。
• 通过将测量的关联函数与理论计算进行比较，检验手征有效场论（χEFT）的预测。

提出的方法

• 利用ALICE探测器，在√s = 13 TeV的高多重性pp碰撞中测量两体关联函数C(k*)。
• 通过衰变产物(p + π⁻)的不变质量分析重建pΛ和pΛ对，并利用ITS、TPC和TOF探测器进行粒子识别。
• 采用混合事件归一化方法提取无关联背景，从而精确提取关联函数C(k*) = N·N(k*)/M(k*)。
• 应用源函数形式C(k*) = ∫ S(r*)|Ψ(k*, r*)|² d³r*，将关联函数与有效发射源及相对波函数联系起来。
• 将实验测量的关联函数与采用不同NΣ ↔ NΛ跃迁势强度的手征有效场论（χEFT）计算结果进行比较。
• 选择高多重性事件以增强奇异夸克产生，提高低k*区域分析的统计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于高精度关联数据，pΛ系统中NΣ ↔ NΛ跃迁势的强度是多少？
• RQ2 实验关联函数是否在NΣ阈值处表现出类似尖点的结构，表明非弹性通道的开启？
• RQ3 测量的关联函数与不同NΣ–NΛ耦合强度的近期手征有效场论计算结果相比如何？
• RQ4 较弱的NΣ–NΛ耦合对三体NNΛ相互作用及中子星中物态方程有何影响？
• RQ5 pp碰撞等小系统中的两体关联能否作为研究超子-核子相互作用中耦合通道动力学的灵敏探针？

主要发现

• 在相对动量k* = 289 MeV/c处，pΛ关联函数中观测到类似尖点的结构，首次为NΛ系统中非弹性NΣ通道的开启提供了直接实验证据。
• 观测到的尖点结构与较弱的NΣ ↔ NΛ跃迁势一致，弱于早期理论模型（如原始NLO13 χEFT势）中的假设。
• 测量的关联函数与采用较弱NΣ–NΛ耦合的的手征有效场论计算结果具有良好一致性，表明需引入更排斥的三体NNΛ相互作用，才能正确描述介质效应。
• 高多重性触发使k* < 200 MeV/c区域的重建pΛ对数量比最小截面触发增加了一个数量级，实现了高统计、低k*关联测量。
• 结果表明，若NΣ–NΛ耦合较弱，则需更强的排斥三体力才能正确描述致密核物质中超子的性质，从而影响对中子星中超子存在的预测。
• 本研究展示了小系统中两体关联对耦合通道动力学的敏感性，为研究强子-超子相互作用提供了新的高精度工具。