Journal Article GSI-2022-00097

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Kaon–proton strong interaction at low relative momentum via femtoscopy in Pb–Pb collisions at the LHC

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2021
North-Holland Publ. Amsterdam

Physics letters / B 822, 136708 () [10.1016/j.physletb.2021.136708]

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Report No.: CERN-EP-2021-080; arXiv:2105.05683

Abstract: In quantum scattering processes between two particles, aspects characterizing the strong and Coulomb forces can be observed in kinematic distributions of the particle pairs. The sensitivity to the interaction potential reaches a maximum at low relative momentum and vanishing distance between the two particles. Ultrarelativistic heavy-ion collisions at the LHC provide an abundant source of many hadron species and can be employed as a measurement method of scattering parameters that is complementary to scattering experiments. This study confirms that momentum correlations of particles produced in Pb–Pb collisions at the LHC provide an accurate measurement of kaon–proton scattering parameters at low relative momentum, allowing precise access to the $K^- p \to K^- p$ process. This work also validates the femtoscopic measurement in ultrarelativistic heavy-ion collisions as an alternative to scattering experiments and a complementary tool to the study of exotic atoms with comparable precision. In this work, the first femtoscopic measurement of momentum correlations of $K^- p(K^- \overline{p})$ and $K^+p(K^-\overline{p})$ pairs in Pb–Pb collisions at centre-of-mass energy per nucleon pair of $\sqrt{s_{NN}}$=5.02 TeV registered by the ALICE experiment is reported. The components of the $K^-p$ complex scattering length are extracted and found to be $\Re f_0=-0.91 \pm 0.03 \textrm{(stat)}^{+0.17}_{-0.03} \textrm{(syst)}$ and $\Im f_0=0.92 \pm 0.05 \textrm{(stat)}_{-0.33}^{+0.12} \textrm{(syst)}$. The results are compared with chiral effective field theory predictions as well as with existing data from dedicated scattering and exotic kaonic atom experiments.

Keyword(s): K p: strong interaction ; heavy ion: scattering ; momentum: correlation ; force: Coulomb ; effective field theory: chiral ; atom: exotic ; nucleon: pair ; heavy ion, scattering ; momentum, correlation ; force, Coulomb ; effective field theory, chiral ; atom, exotic ; nucleon, pair ; CERN LHC Coll ; two-particle ; measurement methods ; sensitivity ; strong interaction ; ALICE ; kinematics ; TeV ; scattering length ; experimental results ; 5020 GeV-cms/nucleon ; hadron

Classification:

Note: Phys. Lett. B 822 (2021) 136708. 25 pages, 3 captioned figure, 4 tables, authors from page 18, published version, figures at http://alice-publications.web.cern.ch/node/7088 "his is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Funded by SCOAP"

Contributing Institute(s):
  1. ALICE (ALI)
  2. Detektorlabor (DTL)
  3. IT (CIT)
  4. ExtreMe Matter Institute, EMMI (EXM)
  5. Collaboration CERN: ALICE (ALICE@CERN)
Research Program(s):
  1. 612 - Cosmic Matter in the Laboratory (POF4-612) (POF4-612)
  2. HGS-HIRe - HGS-HIRe for FAIR (HGS-HIRe) (HGS-HIRe)
  3. SUC-GSI-Heidelberg - Strategic university cooperation GSI-U Heidelberg (SUC-GSI-HE) (SUC-GSI-HE)
  4. SUC-GSI-Frankfurt - Strategic university cooperation GSI-U Frankfurt/M (SUC-GSI-FR) (SUC-GSI-FR)
  5. SUC-GSI-Darmstadt - Strategic university cooperation GSI-TU Darmstadt (SUC-GSI-DA) (SUC-GSI-DA)
Experiment(s):
  1. LHC: ALICE

Appears in the scientific report 2021
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Open Access
EMMI

 Record created 2022-01-17, last modified 2023-10-15