Journal Article GSI-2025-00164

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Exploring the Strong Interaction of Three-Body Systems at the LHC

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2024
APS College Park, Md.

Physical review / X 14(3), 031051 () [10.1103/PhysRevX.14.031051]

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Report No.: CERN-EP-2023-181; arXiv:2308.16120

Abstract: Deuterons are atomic nuclei composed of a neutron and a proton held together by the strong interaction. Unbound ensembles composed of a deuteron and a third nucleon have been investigated in the past using scattering experiments, and they constitute a fundamental reference in nuclear physics to constrain nuclear interactions and the properties of nuclei. In this work, $K^+-d$ and $p-d$ femtoscopic correlations measured by the ALICE Collaboration in proton-proton $(pp)$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the Large Hadron Collider (LHC) are presented. It is demonstrated that correlations in momentum space between deuterons and kaons or protons allow us to study three-hadron systems at distances comparable with the proton radius. The analysis of the $K^+-d$ correlation shows that the relative distances at which deuterons and protons or kaons are produced are around 2 fm. The analysis of the p-d correlation shows that only a full three-body calculation that accounts for the internal structure of the deuteron can explain the data. In particular, the sensitivity of the observable to the short-range part of the interaction is demonstrated. These results indicate that correlations involving light nuclei in pp collisions at the LHC will also provide access to any three-body system in the strange and charm sectors.

Keyword(s): correlation: measured ; nucleus: interaction ; p p: scattering ; deuteron ; CERN LHC Coll ; strong interaction ; nuclear physics ; short-range ; nucleon ; sensitivity ; ALICE ; K+ ; p ; K ; helium ; time projection chamber ; charm ; TeV ; light nucleus ; structure

Classification:

Note: "Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI."

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)
  6. STRONG-2020 - The strong interaction at the frontier of knowledge: fundamental research and applications (824093) (824093)
  7. CosmicAntiNuclei - Constraining cosmic antinuclei fluxes for indirect dark matter searches with precision measurements of rare antimatter cluster formation (950692) (950692)
Experiment(s):
  1. LHC: ALICE

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