[论文解读] Measurements of Chemical Potentials in Pb-Pb Collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02 TeV

Shreyasi Acharya, D. Adamová+1065 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2023

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 89被引用 1

一句话总结

本研究利用统计强子化模型（SHM），在 √sNN = 5.02 TeV 的 Pb–Pb 碰撞中，对化学势进行了迄今为止最精确的测量。通过分析带电π介子、质子、Ω− 反常子及轻（超）核的反粒子与粒子的产额比，确定了 µB = 0.71 ± 0.45 MeV 和 µQ = −0.18 ± 0.90 MeV，表明在快度中间区域，系统近乎为无重子且电中性。

ABSTRACT

This Letter presents the most precise measurement to date of the matter-antimatter imbalance at midrapidity in Pb-Pb collisions at a center-of-mass energy per nucleon pair $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02 TeV. Using the Statistical Hadronization framework, it is possible to obtain the value of the electric charge and baryon chemical potentials, μ$_Q$ = -0.18±0.90 MeV and μ$_B$ = 0.71±0.45 MeV, with unprecedented precision. A centrality-differential study of the antiparticle-to-particle yield ratios of charged pions, protons, Ω baryons, and light (hyper)nuclei is performed. These results indicate that the system created in Pb-Pb collisions at the LHC is on average baryon-free and electrically neutral at midrapidity.

研究动机与目标

• 确定在 √sNN = 5.02 TeV 的 Pb–Pb 碰撞中，重子与电荷化学势（µB 与 µQ）的最精确值。
• 研究在快度中间区域形成的高温高密度介质中物质-反物质不对称性的程度。
• 检验在类似于早期宇宙的条件下，快度中间区域的系统是否为无重子且电中性的假设。
• 通过聚焦于反粒子与粒子产额比，消除与体积相关的参数，从而降低模型依赖性与系统不确定性。
• 利用重子数递增的物种（如 3He、3H 和 3ΛH）高灵敏度探测重子不对称性。

提出的方法

• 采用统计强子化模型（SHM）描述化学冻结时的强子产额。
• 利用活动度关系 λi = exp[(BiµB + QiµQ + SiµS)/Tch] 将强子产额与化学势关联。
• 分析带电π介子（µQ）、质子（µB）、Ω− 反常子（奇异度）以及轻（超）核（增强的重子敏感性）的中心度分辨反粒子与粒子产额比。
• 采用广义系综合理论，守恒重子数（B）、电荷（Q）与奇异度（S），分别由 µB、µQ 与 µS 调节。
• 通过基于比值的分析方法消除系统体积 V 的影响，降低体积涨落带来的不确定性。
• 将测量的产额比与 SHM 预测值进行拟合，以高精度提取 µB 与 µQ，并考虑相关不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √sNN = 5.02 TeV 的 Pb–Pb 碰撞中，快度中间区域的系统在多大程度上是无重子且电中性的？
• RQ2 在 SHM 框架下，如何利用反粒子与粒子产额比精确提取 µB 与 µQ？
• RQ3 与单个重子种类相比，包含轻（超）核是否能提升对重子数不对称性的敏感度？
• RQ4 测量得到的化学势与早期宇宙及核透明度模型的预期相比如何？
• RQ5 相关不确定性对 µB 与 µQ 提取精度的影响是什么，以及如何加以缓解？

主要发现

• 测得重子化学势为 µB = 0.71 ± 0.45 MeV，表明快度中间区域的系统近乎为无重子。
• 测得电荷化学势为 µQ = −0.18 ± 0.90 MeV，与电中性一致。
• 与以往结果相比，µB 与 µQ 的测量精度提高了约一个数量级。
• (反)质子与轻（超）核的产额比表明，快度中间区域的净重子与净电荷密度可忽略不计。
• 反质子与质子的产额比与单位值一致，支持快度中间区域系统为无重子的特性。
• 引入 3He、3H 与 3ΛH 增强了对重子不对称性的敏感度，证实与低净重子密度一致。