[論文レビュー] Baryonic spin Hall effect in heavy ion collisions

Shuai Y. F. Liu, Yi Yin|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、RHIC BESエネルギ一における重イオン衝突において、バリオン化学ポテンシャルおよび温度の縦方向勾配に起因するスピン電流を示すものとして、$λ$ ($\bar{Λ}$) ヒッグス粒子のスピン偏極の最初のフーリエ係数（「指向スピン流れ」と呼ばれる）を測定することで、バリオンスピンホール効果を検出することを提案している。熱場理論と凍結モデルを用いて、指向スピン流れの大きさが約 $10^{-3}$ であると予測されており、電荷に依存するおよび電荷に依存しない観測量を用いることで、化学ポテンシャル勾配と温度勾配に起因するスピンホール効果を区別可能である。

ABSTRACT

Spin Hall effect (SHE) is the generation of spin current due to an electric field, and has been observed in a variety of materials. We investigate the perspective of detecting spin Hall current in heavy-ion collisions. While the electric field created in heavy-ion collisions has a very short lifetime, the (minus) chemical potential gradient can be viewed as an analogous electric field. Noting the longitudinal gradient of baryon chemical potential at RHIC beam energy scan (BES) energies is sizable, we predict that such ``analogous baryonic electric field'' will lead to spin Hall current carried by $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) hyperon. In addition, spin Hall current can be induced by temperature gradient, the phenomenon of which is referred to as ``thermally-induced spin Hall effect'' or spin Nernst effect (SNE). We propose to measure the first Fourier coefficients of local spin polarization of $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) with respect to azimuthal angle to probe spin Hall current, and name those observables as ``directed spin flow''. By employing a thermal field theory calculation and a phenomenologically motivated freeze-out prescription for extit{central collisions} at a representative BES energy ($\sqrt{s}=19.6$ GeV), we find the magnitude of the induced ``directed spin flow'' is of the order $10^{-3}$. Furthermore, we demonstrate how to use (baryon) charge-dependent and charge-independent ``directed spin flow'' to discriminate spin Hall current induced by chemical potential and temperature gradient respectively.

研究の動機と目的

• スピン偏極観測量を用いた重イオン衝突におけるスピンホール電流の検出可能性を検討すること。
• 縦方向のバリオン化学ポテンシャルおよび温度勾配に起因するバリオンスピンホール効果を特定すること。
• 中央衝突におけるスピンホール電流を調べるための測定可能な観測量として「指向スピン流れ」を提案すること。
• 電荷に依存するおよび電荷に依存しない観測量を用いて、化学ポテンシャル勾配と温度勾配に起因するスピンホール効果を区別すること。

提案手法

• バリオン化学ポテンシャルおよび温度の勾配に起因するスピン電流を計算するために、熱場理論を用いてバリオンスピンホール効果をモデル化する。
• バリオン化学ポテンシャルの空間勾配から生じる「類似するバリオン電場」の概念を導入する。
• 「指向スピン流れ」を、$λ$ ($\bar{Λ}$) ヒッグス粒子の局所的スピン偏極の、方位角方向に関する最初のフーリエ係数として定義する。
• RHIC BES条件と整合する $\sqrt{s} = 19.6$ GeV における中央衝突をシミュレートするために、現象論的凍結処理を適用する。
• 化学ポテンシャル勾配と温度勾配に起因する寄与を区別するために、電荷に依存するおよび電荷に依存しない指向スピン流れを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン化学ポテンシャルおよび温度の勾配によって、重イオン衝突内にスピンホール電流が生成可能か？
• RQ2 $λ$ ($\bar{Λ}$) ヒッグス粒子のスピン偏極の最初のフーリエ係数は、スピンホール効果に敏感か？
• RQ3 指向スピン流れは、化学ポテンシャル勾配と温度勾配に起因するスピンホール電流を区別できるか？
• RQ4 $\sqrt{s} = 19.6$ GeV における中央衝突での指向スピン流れの期待される大きさは何か？

主な発見

• $λ$ ($\bar{Λ}$) ヒッグス粒子の誘導された指向スピン流れの大きさは、$\sqrt{s} = 19.6$ GeV において約 $10^{-3}$ のオーダーであると予測されている。
• 指向スピン流れは、バリオン化学ポテンシャルおよび温度の縦方向勾配の相互作用に起因しており、スピンホール効果における電場の類似物として機能する。
• 電荷に依存する指向スピン流れは、化学ポテンシャル勾配に起因するスピンホール電流に敏感であり、一方電荷に依存しない指向スピン流れは、温度勾配に起因する効果を調べる。
• 提案された観測量は、重イオン衝突におけるスピンホール電流の2つの異なる物理的起源を明確に区別するメカニズムを提供する。