[論文レビュー] Global quark polarization in non-central $A+A$ collisions

Jian-Hua Gao, Shou-Wan Chen+4 more|ArXiv.org|Oct 16, 2007

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、局所的縦方向流体シアーに起因するスピン-軌道結合から生じる非中央A+A衝突における全粒子のクォークスピン極化を調査し、摂動QCDを用い、ハード・サーモン・ループ（HTL）で再集約されたグルーオン伝播関数を用いて小角度近似を越えたクォークスピン極化を計算している。RHICにおける半外部的Au+Au衝突では、弱い流体シアーのため、全クォークスピン極化 |Pq| < 0.04 と小さくなるが、中心系エネルギーが磁気質量スケールと一致する際にピークで約 −0.24 を示す。

ABSTRACT

Partons produced in the early stage of non-central heavy-ion collisions can develop a longitudinal fluid shear because of unequal local number densities of participant target and projectile nucleons. Under such fluid shear, local parton pairs with non-vanishing impact parameter have finite local relative orbital angular momentum along the direction opposite to the reaction plane. Such finite relative orbital angular momentum among locally interacting quark pairs can lead to global quark polarization along the same direction due to spin-orbital coupling. Local longitudinal fluid shear is estimated within both Landau fireball and Bjorken scaling model of initial parton production. Quark polarization through quark-quark scatterings with the exchange of a thermal gluon is calculated beyond small-angle scattering approximation in a quark-gluon plasma. The polarization is shown to have a non-monotonic dependence on the local relative orbital angular momentum dictated by the interplay between electric and magnetic interaction. It peaks at a value of relative orbital angular momentum which scales with the magnetic mass of the exchanged gluons. With the estimated small longitudinal fluid shear in semi-peripheral $Au+Au$ collisions at the RHIC energy, the final quark polarization is found to be small $|P_q|&lt;0.04$ in the weak coupling limit. Possible behavior of the quark polarization in the strong coupling limit and implications on the experimental detection of such global quark polarization at RHIC and LHC are also discussed.

研究の動機と目的

• 小角度散乱近似を越えて、非中央重イオン衝突における全クォークスピン極化のより現実的な推定を提供すること。
• クォーク-グルーオンプラズマ内でのスピン-軌道結合を通じて、局所的縦方向流体シアーがクォークスピン極化を生成する役割を調査すること。
• 熱的グルーオンを介したクォーク-クォーク散乱における電気的および磁気的相互作用の相対的寄与を検討すること。
• RHICおよびLHCにおける実験的検出可能性を評価し、ハイパーメソンの極化やベクトルメソンのスピン整列といった観測量を通じて、全クォークスピン極化を検出可能かどうかを検討すること。
• 初期状態のパートン生成を表すランドウ火球モデルとビョルケンスケーリングモデルの両方における流体シアーとそれに伴う極化の推定を比較すること。

提案手法

• ハード・スフィアおよびウッドズ＝サクソン核の幾何学を用いたランドウ火球モデルを用いて、共動系において局所的縦方向流体シアーを推定する。
• HIJINGモンテカルロ生成器を用いて、RHICエネルギーにおける横方向シアーを迅速度分布から推定する。
• 局所的共動系フレームにおいてハード・サーモン・ループ（HTL）で再集約されたグルーオン伝播関数を用い、小角度近似を越えたクォーク-クォーク散乱を計算する。
• 電気的および磁気的相互作用成分を含めた1グルーオン交換によるスピン-軌道結合を通じてクォークスピン極化を計算する。
• 相対的軌道的角運動量および中心系エネルギーの関数としてのネット極化を評価し、電気的および磁気的項の干渉によって生じる非単調な依存性を特定する。
• RHICにおける弱結合限界（αs ≈ 0.3）での結果を評価し、LHCエネルギー（5.5 TeV）へのスケーリングを仮定して、より高い粒子生成断面積と増幅された流体シアーを想定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中央A+A衝突における局所的縦方向流体シアーによって誘発される全クォークスピン極化の大きさと方向は何か？
• RQ2 有限角度散乱およびHTLで再集約されたグルーオン伝播関数を組み込むことで、小角度近似と比較してクォークスピン極化の推定値はどのように変化するか？
• RQ3 クォーク-クォーク散乱における電気的相互作用と磁気的相互作用の相対的寄与は、ネットクォークスピン極化にどのように寄与するか？
• RQ4 クォーク対の局所的相対的軌道的角運動量および中心系エネルギーに依存する極化の依存性は何か？
• RQ5 特に大迅速度領域において、RHICおよびLHCにおける全クォークスピン極化の実験的検出にどのような意味があるか？

主な発見

• RHICエネルギーにおける半外部的Au+Au衝突では、弱い結合限界における弱い縦方向流体シアーのため、全クォークスピン極化は小さく、|Pq| < 0.04 である。
• クォークスピン極化は相対的軌道的角運動量に非単調な依存性を示し、中心系エネルギー √s ≈ 4μm のとき、Pq ≈ −0.24 のピークを示す。ここで μm は交換グルーオンの磁気質量である。
• 低エネルギー域では磁気的相互作用が支配的となり、電気的相互作用を相殺することで、特に弱結合領域において、ネットの負の極化を減少させる。
• ランドウ火球モデルでは、流体シアー下でのクォーク対の平均中心系エネルギーは √s ≈ 0.17 GeV と推定されるが、ビョルケンモデルでは √s ≈ 0.001 GeV であり、両者ともピーク極化エネルギースケールより低い。
• LHCエネルギー（5.5 TeV）では、平均の縦方向流体シアーおよび中心系エネルギーがRHICの約6倍になると予想され、これによりより大きなネットクォークスピン極化が得られる可能性がある。
• 局所的軌道的角運動量がゼロの極限では極化が消えることが確認され、スピン-軌道結合がシアーなしでは存在しないという期待と整合的である。