[論文レビュー] Can Theta Vacua be Created in Heavy Ion Collisions

K. Buckley, T. Fugleberg+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、非ゼロの真空角を持つ量子状態（θ真空）が、重イオン衝突において生成可能かどうかを、非ゼロのθパラメータを有する2フラバーQCDの数値モデルを用いて調査している。その結果、約10⁻²³秒のうちに非ゼロのθ真空が形成されることが判明し、RHICにおけるaxion探索への潜在的影響を示唆している。

ABSTRACT

The development of the early Universe is a remarkable laboratory for the study of most nontrivial properties of particle physics. What is more remarkable is the fact that these phenomena at the QCD scale can be, in principle, experimentally tested in heavy ion collisions. We expect that, in general, an arbitrary theta-state would be created in the heavy ion collisions, similar to the creation of the disoriented chiral condensate with an arbitrary isospin direction. It should be a large domain with a wrong $ heta eq 0$ orientation. We test this idea numerically in a simple model where we study the evolution of the phases of the chiral condensates in QCD with two quark flavors with non-zero theta-parameter. We see the formation of a non-zero theta-vacuum with the formation time of the order of $10^{-23}$ seconds. This result will have important implications for a possible axion search experiment at RHIC.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突において、不規則なクリアバルコンデンエートに類似した状態として、θ真空が動的に生成可能かどうかを調査すること。
• 相対論的重イオン衝突において、非摂動的QCD現象（例：θ真空）を実験的に探査する可能性を検討すること。
• 高エネルギー核衝突におけるθ真空形成に関連するシグネチャーを通じて、axionを検出する可能性を評価すること。
• 簡略化されたQCDフレームワークにおいて、非ゼロのθパラメータ下でのクリアバルコンデンエートの時間発展をモデル化すること。

提案手法

• 非ゼロのθパラメータを有する2フラバーQCDモデルの数値シミュレーションを実施し、クリアバルコンデンエートのダイナミクスを研究すること。
• クリアバルコンデンエートの位相の時間発展を追跡し、非ゼロのθ真空状態の出現を検出すること。
• 重イオン衝突に特有のQCDスケールの特徴を捉えるために、簡略化された有効モデルを用いること。
• θ真空状態の形成時間を分析し、実験的状況での検出可能性を推定すること。
• 重イオン衝突で生成される高温・高密度媒体を模倣する初期条件を適用し、現実的な形成シナリオをシミュレートすること。
• シミュレートされた時間発展における非ゼロθ状態の安定性と持続性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重イオン衝突の文脈において、非ゼロのθ真空が動的に生成可能か？
• RQ2 2フラバーを有するQCD的系において、θ真空の特徴的な形成時間はどの程度か？
• RQ3 重イオン衝突における初期状態が、非ゼロのθパラメータを持つ領域をどれほど形成するか？
• RQ4 θ真空の形成は、このような衝突におけるaxion生成の可能性とどのように関連するか？
• RQ5 実験データにおいて、θ真空の形成は他のクリアバルコンデンエート配置と区別可能か？

主な発見

• 非ゼロのθパラメータを有する2フラバーQCDモデルの数値シミュレーションにおいて、非ゼロのθ真空状態が動的に形成された。
• θ真空の形成時間は約10⁻²³秒と推定され、迅速な平衡化過程を示唆している。
• システムは、CP対称性の破れを示すコherent状態に類似した、大きな空間的領域における非ゼロの真空角を発達させた。
• 結果から、初期宇宙と類似した条件下では、θ真空が重イオン衝突で生成可能である可能性が示唆された。
• このような状態の形成は、RHICにおけるaxion探索実験に直接的な影響を及ぼす可能性がある。なぜなら、観測可能なシグネチャーを引き起こす可能性があるからである。
• シミュレーションは、θ真空が理論的に可能であるだけでなく、高エネルギー核衝突においても実際に到達可能である可能性を支持している。