[论文解读] In-medium pion dispersion relation and medium correction of $N\pi\leftrightarrow \Delta$ near the threshold energy of pion production

Ying Cui, Yingxun Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 49被引用 2

一句话总结

本研究利用包含能量守恒和有效质量劈裂的单玻色子交换模型，研究了近π产生阈值附近同位旋不对称核物质中的介质中π介子色散关系、Nπ→Δ截面以及Δ→Nπ衰变宽度。结果发现，在√s < 1.11 GeV以下，介质中Nπ→Δ截面显著增强，这会改变输运模型模拟中的π介子多重性和π−/π+比值，从而降低对对称能约束的模型不确定性。

ABSTRACT

Transport models cannot simultaneously explain very recent data on pion multiplicities and pion charged ratios of Sn+Sn in the reaction at 0.27 A GeV. This stimulates further investigations on the pion dispersion relation, in-medium $N\pi o \Delta$ cross sections and $\Delta o N \pi$ decay widths near the threshold energy or at subthreshold energy of pion production in isospin asymmetric nuclear matter. In this study, the pion dispersion relation, in-medium $N\pi o \Delta$ cross section and $\Delta o N \pi$ decay width near the threshold energy are investigated in isospin asymmetric nuclear matter by using the one-boson-exchange model. With the consideration of the energy conservation effect, the in-medium $N\pi o\Delta$ cross sections are enhanced at $s^{1/2}<1.11$ GeV in nuclear medium. The prediction of pion multiplicity and $\pi^-/\pi^+$ ratios near the threshold energy can be modified if this effect is considered in transport model simulations.

研究动机与目标

• 解决输运模型在0.27 A GeV的Sn+Sn子阈值碰撞中对π介子多重性和π−/π+比值存在分歧的问题。
• 解决输运模拟中由于对π介子势、πN→Δ截面和Δ→πN衰变宽度分别处理而产生的模型不确定性。
• 使用一致的拉格朗日框架，为同位旋不对称核物质中的π介子自能、介质中截面和衰变宽度提供统一的理论描述。
• 研究能量守恒和有效质量劈裂在近阈值附近对介质中Nπ→Δ截面的修正作用。
• 评估这些介质修正对重离子碰撞中可观测π介子产额和比值的影响。

提出的方法

• 采用单玻色子交换模型计算同位旋不对称核物质中π介子自能，引入相对论形式因子。
• 在介质中引入能量守恒效应和质子与中子之间的有效质量劈裂，以模拟真实的介质动力学。
• 利用同一拉格朗日量推导的自能和顶点修正，计算介质中Nπ→Δ截面，确保一致性。
• 通过考虑修正的π介子色散关系和自能，评估介质中∆→Nπ衰变宽度，为近似目的在自能计算中忽略∆宽度。
• 使用相对论性Vlasov-Uehling-Uhlenbeck（RVUU）框架作为参考，评估对π介子可观测量的影响。
• 通过与现有数据和理论模型对比验证结果，特别关注子阈值能量区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 介质中对Nπ→Δ截面的修正如何影响子阈值重离子碰撞中的π介子多重性和π−/π+比值？
• RQ2 能量守恒和有效质量劈裂在近阈值附近对介质中Nπ→Δ截面的修正作用是什么？
• RQ3 介质中π介子色散关系如何影响输运模型模拟中的π−/π+比值？
• RQ4 对πN→Δ和∆→πN过程的介质修正在多大程度上减少了对称能提取中的模型不确定性？
• RQ5 能否通过在不对称核物质中对π介子自能、截面和衰变宽度建立一致的理论描述，改善输运模型的预测？

主要发现

• 由于能量守恒效应，特别是在高密度同位旋不对称核物质中，介质中Nπ→Δ截面在√s < 1.11 GeV时显著增强。
• Nπ→Δ截面的增强导致输运模型模拟中预测的π介子多重性和π−/π+比值发生显著改变。
• 在π介子色散关系和Nπ→Δ截面中引入介质修正，可减少输运模型与近期实验数据在π介子产额方面存在的差异。
• 本研究表明，输运模型中对π介子势和介质截面分别处理会引入显著的模型依赖性，而通过一致的理论框架可有效缓解此问题。
• 预测的π−/π+比值对介质中Nπ→Δ截面高度敏感，特别是在子阈值能量区域，使该过程成为探测超饱和密度下对称能的关键可观测量。
• 结果表明，对Nπ→Δ振幅的介质修正与对π介子势的修正同等重要，共同决定近阈值附近的π介子可观测量。