Measurement of hypertriton lifetime at RHIC

1. Measurement of hypertriton lifetime at RHIC • 马余刚(Yu-GangMa) (ygma@sinap.ac.cn) • ShanghaiInstituteofAppliedPhysics, • ChineseAcademyofSciences(SINAP) • Introductiononhypernucleus • HypertritonatRHIC-STAR • PreliminaryresultsfromGSIhypernucleimeasurements • Productionmechanismofhypernucleus@RHIC • Summary • IntroductionofNationalBasicResearchProject(RHIC-973) 第十届“QCD相变与相对论重离子物理”研讨会@成都，2013/8/8-10

2. A: Total number of baryons Z: Total charge L: Hyperon ALZ 超子与超核 中子 质子 -超子 d-夸克 u-夸克 s-夸克 普通核 超核 Example: 7LLi (6Li + L) 9LLBe(7Be + LL)

3. 超核（Hyper-nucleus） 超核的发现：1953年，两位波兰科学家从宇宙射线中观测到 重离子中超核的重构：不变质量谱

4. The real developments of the study of hypernuclei came from the production of hypernucleiby usingthe kaonbeams from accelerators. • In 1974 the recoil-less (K-,π-) strangeness exchange reaction on nuclear target was proposed to produce hypernuclei. • This has led to a large growth of research about the excited states of hypernucleiand their properties. • Since then, hypernuclearphysics has become one of the most important frontier of nuclear physics. • Later, associate production from the pionbeam was used to produce hypernuclei.

6. 超核-核素图

8. 研究超核的其他意义 • 在超核内，超子相对于核子是可区分粒子，可以不服从泡里原理，所以超子是原子核的“味标记”内部探针。 • 通过对超核的衰变研究，可以研究核介质中的弱相互作用。 • 带奇异性的介子和重子进入核内，可以明显影响核态方程，从而有助于研究中子星、高温高密物质、核液气相变等一些感兴趣的现象。 • 超核寿命、结合能敏感于超子-核子相互作用。

9. 超子-核子作用势

10. study Λ-N strong interaction Forextracting spin-spin interaction Hypernuclearfine structure Forextracting spin-orbital interaction Forextracting tensor interaction

12. 超核也敏感于QGP相变 张松(SINAP)等， Phys. Lett. B684(2010)224

14. 超核的结合能、寿命

16. initial stage QGP and hydrodynamic expansion pre-equilibrium hadronization and freeze-out Relativistic heavy-ion collisions • Initial condition of collisions • New state of matter : QGP • Hadronization and hadronic interaction RHIC creates hot and dense matter, containing dozens of hyperons in central events : ideal source of hypernuclei studies. RHIC white paper: Nucl. Phys. A 757

17. STAR Detector TPC: effectively 3-D ionization camera with over 50 million pixels. STAR: a complex set of various detectors, a wide range of measurements and a broad coverage of different physics topics. STAR-TPC: NIMA 499 (2003) 659 STAR-detector: NIMA 499 (2003) 624

18. Datasets and track selection Datasets and event statistics • Analysis method: secondary vertex finding technique • Identify 3He and p candidate • Find the V0 position from daughters pairing • Plot the invariant mass dis. of daughters • Combinatorial background analysis

19. Clean p (<0.65GeV) and 3He (>2GeV) identification from TPC

20. RHIC-STAR发现首个反物质超核 Science 328 (2010) 58 “2010年度中国科学十大进展” 图1 图2 第一个含有反奇异夸克的原子核：反超氚核 首次把核素图扩展了到了新的反奇异物质区域 这是RHIC运行来的第一篇Science文章 Dr. J. H. Chen, 2012 APS George E. Valley奖

21. ALICE’s observation for (anti-)hypertriton 超氚核 反超氚核

24. Measure the lifetime STAR preliminary STAR preliminary STAR preliminary Measure the hypertriton signal in different L/βγ bins: 2-5-8-11-41cm Combined datasets: run10 7.7,11.5,39,200GeV MB, run10 200GeV central, run11 19.6, 27GeV MB STAR preliminary

25. New hypertriton lifetime result： puzzle？ STAR preliminary 朱逾卉，上海应物所博士论文2013 Hypertriton lifetime=

26. Systematic Study on Lifetime

28. Beam Energy Dependence of s3 朱逾卉，上海应物所博士论文2013 AMPT:S.Zhangetal.PhysLettB(2010)

29. T. R. Saito et al., NPA (2012) Preliminary Results hypertriton Lambda hyperH4

30. Summary of the observed peaks GSI

31. 相对论重离子碰撞中超核的产生机理：coalescence相对论重离子碰撞中超核的产生机理：coalescence 我们用流体动力学blast-wave模型+coalescence机制，能很好描述RHIC数据

32. Conclusion Over 600 hypertriton and antihypertriton particles are reconstructed in heavy-ion collisions at RHIC-STAR, with a significance of 9.6s The hypertriton and antihypertriton signals are reconstructed for each RHIC BES energy A statistically improved lifetime ps is obtained.GSI preliminary results seemsimilar.Butweneedtounderstandwhythelifetimeissoshort! The production mechanism of hypernucleus in HIC can be described by a coalescence model. Hypernuclei favors to be formed in heavier ion collision.

33. 高温高密核物质形态研究 973项目已立项 首席科学家：马余刚（中科院上海应用物理所） 承担单位： 中科院上海应用物理所、中国科学技术大学、华中师范大学、清华大学、中科院近代物理所、山东大学 课题负责人： 马余刚、张一飞、王恩科、庄鹏飞、王建松、梁作堂 其他骨干：许怒、王新年、王群等；项目参加人员30人，另外有研究生50余人 项目编号：2014CB845400； 执行期：2014.1-2018.8

34. 关键科学问题1： 以高温高密核物质的产生与演化为主线，提出四个关键科学问题 1.初始条件：核子内部结构 1. 理解核-核碰撞中产生高温高密物质形态的初始条件：核子的内部结构 核子结构是目前人类对物质基本结构认识的最深层次，是描述各类高能pp,pA,AA反应所必需的初始条件。 RHIC的极化质子对撞提供了研究核子内部结构的独特工具，其独特优势：味分离、胶子贡献、横动量依赖。

35. 关键科学问题2： 2.高温高密物质的产生的临界条件？对称性恢复信号？ 2.确定高温高密核物质相结构和相边界、寻找相变临界终点和手征对称性恢复信号 RHIC的能量扫描实验和CSR能区重离子碰撞实验有助于获得相变临界点、相结构和手征对称部分恢复信号

36. 关键科学问题3： 3.高温高密核物质形态的描述以及夸克的能损机制？ 3. 理解高温高密核物质的强耦合特征、以及夸克在高温高密物质中的能量损失机制、热化机制 RHIC的重味介子测量、强子谱学测量、椭圆流等，与理论研究相结合，理解高温高密物质形态的演化与机理 夸克能量损失

37. 关键科学问题4： 4. 寻找后高温高密核物质的稀有产物 4. 寻找高温高密核物质的末态稀有产物，如奇异夸克物质、奇特粒子态、反物质共振态等 RHIC是研究高温高密新物质形态的实验室，也是寻找奇特物质的理想场所！ 王淦昌 奇特粒子 狄拉克 赵忠尧 安德森

38. 立项依据和关键科学问题 2.高温高密核物质相结构和相边界 核心问题 3.夸克物质能损机制和强耦合特征 1.核子的内部结构 4.奇异夸克物质/ 奇特粒子态 认识核-核碰撞的初始条件 新物质形态的特征与介质相应 新物质形态的稀有产物 提供理论发展的实验支撑 • 预期的重要突破： • 初步确定QCD相变临界点 • 寻找到反氦4水准的奇特粒子，如H粒子 • 寻找中国科学家提出的 (张宗烨,何祚庥等) • 如实现任何一点，都是极为重要的突破

39. 主要研究内容和预期目标 关键科学问题 4. 核子的内 部结构 2.夸克物质能损机制和强耦合特征 1.QCD相图的结构和相边界 3.奇异夸克物质/奇特粒子态 奇异夸克动力学研究与奇特粒子态 极化质子－质子/核反应中的核子结构 高重子密度核物质相结构 双轻子产生与核物质相图 重味产生与夸克偶素动力学 喷注能量损失及其介质响应 张一飞(USTC) 庄鹏飞(THU) 王恩科(CCNU) 王建松(IMP) 马余刚(SINAP) 梁作堂(SDU) 紧紧围绕四个关键科学问题，提出六项研究内容

40. 预期目标 高温高密物质相图、临界点；夸克物质能损机制和强耦合特征；奇异夸克物质/奇特粒子态；核子内部结构 科学问题 深刻认识高温高密核物质形态的核子初态、产生过程、物理特征、强作用机理、相变临界点等 总体目标 • 初步确定QCD临界点、高(低)温高密相结构 • 找到个别有重要意义的奇特粒子 • 深刻描述高温高密核物质的物理过程，完善喷注层析理论和强耦合理论描述 • 精确测量核子内不同味的夸克、胶子分布 • 承担部分探测器升级, 为未来物理和研发做铺垫 五年目标 在国际高能核物理研究中占有重要的一席之地， 为今后国内大科学工程提供相关物理与技术支撑

41. 谢 谢！

42. 相对论重离子碰撞中不同核的产额比： coalescence vs thermal model 薛亮 etal.Phys. Rev. C85, 064912 (2012)

43. CSR能区重离子碰撞中超核的产生-coalescence估算 张松，陈金辉，马余刚等， Chin. Phys. C 35, 741 (2011)

44. CSR能区重离子碰撞中超核的产生的系统依赖性 The penalty factor （惩罚因子）λ quantitatively represents how hard it is to produce the next massive cluster (A +1) compared with the current cluster (A ). 越是重的系统，越有利于超核的产生！

46. Λ超核的特性与表现 • Λ超核： • 最轻超核：超氚 • 最重超核：A=209 • 利用Λ超子可探知核芯的各种变化。 • 例如： • 7Li超核：Λ的出现使得与核芯粘在一起让6Li核芯变得稳定了！ • Λ与核的耦合将改变形变核的转动惯量并对转动带结构产生影响； • 影响通常的裂变过程和形状（同核异能素）； • 影响巨共振特征； • Λ出现导致原子核的收缩，增加核芯的库伦能 • 加入Λ升高了粒子发射的阈能，使得地连续态对粒子衰变稳定。 • 双Λ超核与Ξ超核（S=-2）： • 6He，10Be，13B, 4H • 从双Λ超核实验提取ΛΛ二体相互作用一直在进行 • 理论上：手征夸克模型，手征幺正方法等，但显示出很强的模型相关性。 • 弄清ΛΛ作用，对H粒子的寻找具有重要意义。