[論文レビュー] Chiral vortical effect in pionic superfluid vs spin alignment of baryons

Oleg Teryaev, V.I. Zakharov|arXiv (Cornell University)|May 3, 2017

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、等スピン化学ポテンシャルを伴うπ中間子超流動模型において、手術的軸電流（CVE）—回転軸に沿った軸電流—が、仮想バリオンのスピン整列を通じて物理的に実現されることを提案する。超流動内の渦はバリオンスピン極化が現れるコア領域を形成し、これらの仮想バリオンの平均スピンがCVE電流を再現する。これは、閉じ込められた相におけるバリオン極化のメカニズムを示している。

ABSTRACT

We consider chiral fluids, with (nearly) massless fermionic constituents, in the confining phase. Chiral vortical effect (CVE) is the flow of axial current along the axis of rotation of the fluid while the spin alignment is a non-vanishing correlation of polarizations of baryons with the axis of rotation. As the theoretical framework we use the model of pionic superfluidity induced by a non-vanishing isotopic chemical potential. We note that the average value of spin of virtual baryons reproduces the CVE. The role of defects, or vortices is crucial. The model does not apply directly to the quark-gluon plasma but might indicate existence of a mechanism to produce baryons with relatively large polarization in heavy-ion collisions.

研究の動機と目的

• QCDの閉じ込められた相、特にパイオン超流動において、手術的軸電流（CVE）がどのように現れるかを調査すること。
• 重イオン衝突で観測されたハイパーロン極化の起源を理解すること、特にΛハイパーロンスピンが流体の渦度と整列する理由を解明すること。
• 明示的なバリオン自由度を含まない模型において、CVEが仮想バリオンのスピン極化を通じて実現可能かどうかを検討すること。
• バリオンによる紫外正則化と渦の役割が、低エネルギー有効理論におけるCVEを維持するために果たす役割を明確にすること。

提案手法

• 等スピン化学ポテンシャル（μ₃）が非ゼロであることで等スピン対称性が破れるパイオン超流動模型を用いる。
• 流体力学的近似を適用して、vorticity ωᵘ に対して jₐᵘ = (μ² + μ₅²)/(2π²) ωᵘ の形で手術的軸電流（CVE）を導出する。
• pion場が特異になる渦コアにおける特異性を正則化するため、仮想バリオンを紫外正則化子として導入する。
• CVEにおける軸電流を、<σ_z> ≈ <μ²ω_z> の関係を通じてバリオンの平均スピン極化に結びつける。
• ゴールドストーン＝ウィルツェク電流形式を用い、バリオンの軸電流と三角異常、量子数の関係を関係づける。
• 渦の構造を分析する：軽いパイオンがコアの周囲を循環し、コアはバリオンスピン極化によって安定化される。これはコールアン＝ハーヴェイの渦に類似しているが、コア構造が逆転している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じ込められた相、例えばパイオン超流動において、クォークやバリオンの自由度を明示的に含まない状況で、手術的軸電流（CVE）が実現可能か？
• RQ2 パイオン超流動内の渦は、流体の回転とバリオンスピン極化の間の接続をどのように媒介するか？
• RQ3 このような媒体において、CVEの軸電流は、仮想バリオンの平均スピンによってどの程度再現可能か？
• RQ4 流体力学的記述におけるパイオン超流動系のCVEの記述において、バリオンが紫外正則化子として果たす役割は何か？
• RQ5 パイオン超流動におけるスピン整列のメカニズムは、重イオン衝突で観測されたΛハイパーロンの極化と関連しているか？

主な発見

• パイオン超流動模型における仮想バリオンの平均スピン極化が、手術的軸電流（CVE）電流を再現し、<σ_z> ≈ <μ²ω_z> が成り立つ。
• 超流動内の渦は不可欠な役割を果たす：バリオンスピン極化が局在化するコア領域を提供し、pion場の特異性を正則化する。
• 明示的なバリオンが存在しない状況ではCVEは現れないが、放射修正における紫外カットオフとしてバリオンを導入することでCVEが出現する。
• CVEに関連する軸電流は、異常一致条件を通じてバリオン電流 (j_B⁵)ₐ = N_c/(36π²f_π²) εₐᵦᵧδ (∂ᵦπ⁰)(∂ᵞ∂ᵦπ⁰) と関係づけられる。
• このメカニズムは、流体の渦度が渦を介したバリオン極化を通じてスピン整列を引き起こすため、重イオン衝突におけるハイパーロン極化を定性的に説明する。
• この模型はクォーク・グルーオンプラズマに直接適用可能ではないが、渦コアにおけるスピン整列を通じて、閉じ込められた相におけるバリオン極化の妥当なメカニズムを示唆している。