[論文レビュー] Chiral Magnetic Effect in High-Energy Nuclear Collisions — A Status Report

Dmitri E. Kharzeev, Jinfeng Liao+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 12

ひとこと要約

このレビューでは、高エネルギー核反応におけるキラル磁気効果（CME）を検討する。量子異常により、クォーカー・グルーオンプラズマにおけるキラリティの不均衡が、外部磁場に沿ったトポロジカルに保護された電流を生成する。STARおよびALICE共同研究の実験データに基づき、現在の証拠を評価し、主な不確実性を特定し、CMEが強い相互作用における真の量子現象であることを確認するための今後の理論的・実験的課題を提示する。

ABSTRACT

The interplay of quantum anomalies with magnetic field and vorticity results in a variety of novel non-dissipative transport phenomena in systems with chiral fermions, including the quarkgluon plasma. Among them is the Chiral Magnetic Effect (CME) – the generation of electric current along an external magnetic field induced by chirality imbalance. Because the chirality imbalance is related to the global topology of gauge fields, the CME current is topologically protected and hence non-dissipative even in the presence of strong interactions. As a result, the CME and related quantum phenomena affect the hydrodynamical and transport behavior of strongly coupled quark-gluon plasma, and can be studied in relativistic heavy ion collisions where strong magnetic fields are created by the colliding ions. Evidence for the CME and related phenomena has been reported by the STAR Collaboration at Relativistic Heavy Ion Collider at BNL, and by the ALICE Collaboration at the Large Hadron Collider at CERN. The goal of the present review is to provide an elementary introduction into the physics of anomalous chiral effects, to describe the current status of experimental studies in heavy ion physics, and to outline the future work, both in experiment and theory, needed to eliminate the existing uncertainties in the interpretation of the data. 1 ar X iv :1 51 1. 04 05 0v 1 [ he pph ] 1 2 N ov 2 01 5

研究の動機と目的

• キラルフェルミオンを有する系における異常なキラル輸送現象、特にキラル磁気効果（CME）の基礎的理解を提供すること。
• RHICおよびLHCにおける相対論的重イオン衝突におけるCME検出の現在の実験的状況を評価すること。
• 実験データをCMEの証拠として解釈する際の主要な不確実性を特定し、明確化すること。
• CMEが非散乱的でトポロジカルに保護された効果であることを確認するための理論的・実験的課題を明らかにすること。
• CMEがクォーカー・グルーオンプラズマにおいて正当に確認されるために、理論的および実験的両面で解決すべき主要な未解決問題を特定し、今後の研究を導くこと。

提案手法

• キラルゲージ理論における量子異常の理論的分析を行い、キラリティの不均衡、磁場、および渦度の間の相互作用に焦点を当てる。
• トポロジカル場理論を応用してCME電流を導出し、グローバルゲージ場のトポロジーから生じるため、非散乱的であることを示す。
• CMEに感受的な実験的観測量のレビュー、例えば重イオン衝突における電荷依存性アゼイムスラル相関。
• 異常流体力学の予測とRHICおよびLHCにおけるSTARおよびALICE共同研究のデータを比較する。
• 有効場理論および輸送モデルを用いてCME信号をシミュレートし、非フローピアリーや背景効果とを分離する。
• 初期条件や物質応答に関するさまざまな仮定の下での観測相関の頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重イオン衝突における観測された電荷依存性相関は、キラル磁気効果（CME）の明確な証拠をどの程度提供しているか？
• RQ2 非散乱的でトポロジカルに保護された電流、例えばCMEは、クォーカー・グルーオンプラズマの流体力学的および輸送的挙動にどのように現れるか？
• RQ3 CMEに類似した信号を模倣する主な背景寄与は何か？ そして、それらを実験的にどのように区別できるか？
• RQ4 重イオン衝突における磁場および渦度は、キラル輸送効果の生成と検出にどのように影響するか？
• RQ5 クォーカー・グルーオンプラズマにおけるCMEの存在を確実に確認するためには、どのような理論的・実験的改善が必要か？

主な発見

• STARおよびALICE共同研究の実験データは、CMEの予測と整合する電荷依存性アゼイムスラル相関を示しているが、依然として大きな不確実性を伴う。
• CME電流は、グローバルゲージ場のトポロジーに起因するため、強い相互作用が存在してもトポロジカルに保護され、非散乱的である。
• 理論的モデルは、キラリティの不均衡が存在する場合、外部磁場の方向にネット電流が生成されることを予測している。
• 重イオン衝突における観測相関は、初期条件、物質応答、非平衡効果に敏感であり、CMEの明確な同定を複雑にする。
• 現在のデータは、非フローピアリーや局所的電荷分離効果といった代替説を完全に除外していない。
• CMEの確認に不可欠な、より高い検出器分解能、より優れた背景除去技術、およびより精確な理論的モデリングを備えた今後の実験が求められる。