[论文解读] Search for baryon junctions in photonuclear processes and isobar collisions at RHIC

Nicole Lewis, Lv, Wendi+8 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

该论文提出，在极端相对论重离子碰撞中，重子数可能由非微扰的Y形胶子节点而非价夸克携带，预测净重子快速度分布呈指数形式，斜率为−0.61±0.03。论文主张在RHIC和EIC开展核同质异素和光致核反应实验，通过净重子停止和半 inclusive 过程检验该假设，为解释未解的中快速度重子过剩现象提供解决方案。

ABSTRACT

During the early development of Quantum Chromodynamics, it was proposed that baryon number could be carried by a non-perturbative Y-shaped topology of gluon fields, called the gluon junction, rather than by the valence quarks as in the QCD standard model. A puzzling feature of ultra-relativistic nucleus-nucleus collisions is the apparent substantial baryon excess in the midrapidity region that could not be adequately accounted for in most conventional models of quark and diquark transport. The transport of baryonic gluon junctions is predicted to lead to a characteristic exponential distribution of net-baryon density with rapidity and could resolve the puzzle. In this context we point out that the rapidity density of net-baryons near midrapidity indeed follows an exponential distribution with a slope of $-0.61\pm0.03$ as a function of beam rapidity in the existing global data from A+A collisions at AGS, SPS and RHIC energies. To further test if quarks or gluon junctions carry the baryon quantum number, we propose to study the absolute magnitude of the baryon vs. charge stopping in isobar collisions at RHIC. We also argue that semi-inclusive photon-induced processes ($γ+p$/A) at RHIC kinematics provide an opportunity to search for the signatures of the baryon junction and to shed light onto the mechanisms of observed baryon excess in the mid-rapidity region in ultra-relativistic nucleus-nucleus collisions. Such measurements can be further validated in A+A collisions at the LHC and $e+p$/A collisions at the EIC.

研究动机与目标

• 为解决在RHIC和LHC的A+A及核同质异素碰撞中观测到的未解的中快速度重子过剩现象，该现象传统夸克/二夸克输运模型无法解释。
• 检验早期QCD模型所提出的假设：重子数由非微扰的Y形胶子节点而非价夸克携带。
• 在RHIC和EIC提出可观测量——具体为核同质异素碰撞中的净重子停止和半 inclusive 光致核反应过程，以区分夸克与节点介导的重子输运机制。
• 利用升级后的STAR探测器和计划中的EIC实验的高统计量数据，结合精确的重子和电荷测量，验证胶子节点模型。
• 为通过EIC中e+A和e+p碰撞的快速度依赖净重子和净电荷分布测试重子节点图像提供理论框架。

提出的方法

• 分析AGS、SPS和RHIC的现有A+A碰撞数据，提取净重子密度的快速度依赖性，发现其呈指数分布，斜率为−0.61±0.03。
• 在RHIC提出核同质异素碰撞（如96Zr + 96Ru）以测量绝对净重子停止与电荷停止，作为胶子节点与夸克输运的清晰检验。
• 在RHIC能动学条件下建模半 inclusive 光致核反应过程（γ + p/A），通过中快速度和前向区域的净重子产生寻找重子节点的信号。
• 使用事件生成器（如BeAGLE、PYTHIA）模拟重子产生，并在夸克与节点输运假设下比较预测结果。
• 利用STAR探测器的未来升级（iTPC、EPD、FTS/FCS）扩展伪快度覆盖范围，提升γ+Au过程中净重子测量的触发纯净度。
• 在EIC提出e+Ru和e+Zr碰撞，测量净重子和净电荷分布随x和Q²的变化，从而直接检验重子节点模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在A+A碰撞中观测到的净重子快速度分布是否符合重子节点停止预测的指数形式？
• RQ2 在RHIC进行的核同质异素碰撞能否区分重子数通过价夸克或胶子节点输运？
• RQ3 在RHIC能动学条件下，半 inclusive γ + A过程是否可通过中快速度和前向区域的特征净重子产生模式揭示重子节点的信号？
• RQ4 未来EIC对e+A碰撞中净重子和净电荷分布的测量能否约束重子节点模型？
• RQ5 在γ*A → X + p过程中，光子虚性在重子产生中起何作用？其是否可用于探测节点动力学？

主要发现

• 在AGS、SPS和RHIC的A+A碰撞中，净重子快速度分布表现出指数依赖性，斜率为−0.61±0.03，与重子节点停止的预测一致。
• 在RHIC进行的核同质异素碰撞提供了测量绝对净重子停止的清晰环境，可直接检验重子数是否由夸克或胶子节点携带。
• 在RHIC能动学条件下，半 inclusive 光致核反应过程（γ + p/A）提供了无背景的环境，可通过中快速度和前向区域的净重子产生寻找重子节点的信号。
• 升级后的STAR探测器，借助iTPC、EPD和FTS/FCS扩展伪快度覆盖范围，将实现γ+Au过程中净重子分布的高精度测量。
• EIC凭借其e+Au和e+p碰撞以及先进探测器（ePIC，潜在第二探测器），将能够详细研究净重子和净电荷分布随x和Q²的变化，以检验重子节点模型。
• 未来对后向光致反应在如γ*p → ωp等独家过程中的远前向快速度区域的测量，可能进一步约束与胶子节点相关的重子停止机制。