[论文解读] First observation of an attractive interaction between a proton and a multi-strange baryon

ALICE Collaboration|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|Apr 27, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用 6

一句话总结

本论文通过LHC上ALICE探测器在√sNN=5.02 TeV的p–Pb碰撞中，利用两粒子关联测量，首次实验观测到质子与多奇异重子（Ξ⁻）之间存在强而吸引的相互作用。测得的关联函数在库仑作用预测之外表现出显著增强，显著性达3.6--5.3σ，证实了强吸引强相互作用的存在，与HAL-QCD格点QCD计算结果一致（1.8--3.7σ）。

ABSTRACT

This work presents the first experimental observation of the attractive strong interaction between a proton and a multi-strange baryon (hyperon) $Ξ^-$. The result is extracted from two-particle correlations of combined $ m{p}-Ξ^{-}$$\oplus$$ m{\bar{p}}-\barΞ^{+}$ pairs measured in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m{NN}}}=5.02$ TeV at the LHC with ALICE. The measured correlation function is compared with the prediction obtained assuming only an attractive Coulomb interaction and a standard deviation in the range $[3.6,5.3]$ is found. Since the measured $ m{p}-Ξ^{-}$$\oplus$$ m{\bar{p}}-\barΞ^{+}$ correlation is significantly enhanced with respect to the Coulomb prediction, the presence of an additional, strong, attractive interaction is evident. The data are compatible with recent lattice calculations by the HAL-QCD Collaboration, with a standard deviation in the range $ [1.8,3.7]$. The lattice potential predicts a shallow repulsive $Ξ^-$ interaction within pure neutron matter at saturation densities and this implies stiffer equations of state for neutron-rich matter including hyperons. Implications of the strong interaction for the modeling of neutron stars are discussed.

研究动机与目标

• 通过实验探测质子与多奇异重子（Ξ⁻）之间的强相互作用，这是超子-核子相互作用中缺失的关键部分。
• 利用高精度两粒子关联技术，检验来自格点QCD（HAL-QCD）的Ξ⁻-核子相互作用理论预测。
• 约束Ξ⁻在中子富集物质中的单粒子势能，该势能影响中子星的方程态（EoS）。
• 克服以往研究的局限性，这些研究因统计不确定性较大或重离子碰撞数据中存在污染而受限。
• 建立一种新的实验框架，利用小系统（p–Pb）和CATS工具求解包含真实势能的薛定谔方程。

提出的方法

• 在√sNN=5.02 TeV的p–Pb碰撞中，测量质子与Ξ⁻重子（p–Ξ⁻）及其反粒子对（p̄–Ξ̄⁺）的两粒子动量空间关联。
• 将粒子对与反粒子对的关联结果合并，以增强统计精度并减少背景影响。
• 使用CATS（基于薛定谔方程的关联分析工具）计算包含和不包含强相互作用势能的理论关联函数。
• 将实测关联函数与仅考虑库仑作用的预测结果进行比较，同时与包含HAL-QCD格点QCD计算所得强相互作用势能的预测结果进行对比。
• 应用统计显著性检验，量化与仅库仑作用预测的偏差，以评估强相互作用的存在。
• 利用提取出的势能计算Ξ⁻在纯中子物质中的单粒子势能，为中子星建模提供依据。

Figure 1: (Color online) The a) p–p and b) p– $\Xi^{-}$ correlation functions shown as a function of $k^{*}$ . Statistical (bars) and systematic uncertainties (boxes) are shown separately. The filled bands denote the results from the fit with Eq. 1 . Their widths correspond to one standard deviation

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在质子与Ξ⁻重子之间强而吸引相互作用的实验证据？
• RQ2 测得的p–Ξ⁻关联与仅假设库仑作用的预测结果相比如何？
• RQ3 观测到的关联在多大程度上与格点QCD对p–Ξ⁻相互作用的计算结果一致？
• RQ4 Ξ⁻–核子相互作用对中子富集物质及中子星的方程态有何影响？
• RQ5 小强子系统（p–Pb）中的两粒子关联能否作为短程强相互作用的清晰探针？

主要发现

• 测得的p–Ξ⁻关联函数在库仑作用预测之外表现出显著增强，显著性达3.6--5.3σ，首次提供了强吸引相互作用的实验证据。
• 数据与HAL-QCD格点QCD对p–Ξ⁻相互作用的预测一致，显著性为1.8--3.7σ，表明在不确定度范围内一致。
• 观测到的强吸引作用意味着Ξ⁻在中子物质中具有浅而吸引的单粒子势能，有利于其在中等密度下出现。
• 这种吸引相互作用导致中子富集物质的方程态（EoS）变软，对中子星结构和最大质量极限具有直接影响。
• 结果验证了在小系统（p–Pb）中利用两粒子关联作为精确工具，探测奇异夸克领域短程强相互作用的有效性。
• 本研究为未来超子-核子及超子-超子相互作用的研究设立了新基准，对包含超子的现实中子星建模至关重要。

Figure 2: (Color online) Predictions for the $\Xi$ -nucleon potential from the HAL-QCD Collaboration [ 42 ] for the different spin (S) and isospin (I) states. The error bands refer to different Euclidean times considered in the calculation. The inset shows the correlation function computed with the