[論文レビュー] Implications of the isobar run results for chiral magnetic effect in heavy ion collisions

Dmitri E. Kharzeev, Jinfeng Liao+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、重イオン衝突におけるSTAR協同研究のバリオン数が等しい衝突系（RuRuとZrZr）の結果を再評価し、ねじれ磁気効果（CME）の存在を評価する。観測されたハドロン多重度および集団的流れ（v₂）の違いを補正した後、CME信号寄与率は (6.8 ± 2.6)% であり、初期のブラインド解析で生じた明らかな矛盾を解消する。

ABSTRACT

Chiral magnetic effect (CME) is a macroscopic transport phenomenon induced by quantum anomaly in the presence of chiral imbalance and an external magnetic field. Relativistic heavy ion collisions provide the unique opportunity to look for CME in a non-Abelian plasma, where the chiral imbalance is created by topological transitions similar to those occurring in the Early Universe. The isobar run at Relativistic Heavy Ion Collider was proposed as a way to separate the possible CME signal driven by magnetic field from the background. The first blind analysis results from this important experiment have been recently released by the STAR Collaboration. Under the pre-defined assumption of identical background in RuRu and ZrZr, the results are inconsistent with the presence of CME, as well as with all existing theoretical models (whether including CME or not). However the observed difference of backgrounds must be taken into account before any physical conclusion is drawn. In this paper, we show that once the observed difference in hadron multiplicity and collective flow are quantitatively taken into account, the STAR results could be consistent with a finite CME signal contribution of about $(6.8\pm2.6)\%$.

研究の動機と目的

• RuRu系の磁場が強いにもかかわらず、初期の解析でCME信号が検出されなかったという明らかな矛盾を解消すること。
• RuRuとZrZr衝突におけるハドロン多重度および集団的流れ（v₂）の観測された差が、CME観測量の解釈に与える影響を定量化すること。
• 背景が多重度に反比例すると仮定し、測定された相関関数比および磁場成分の投影比を組み込むことで、CME信号寄与率を再評価すること。
• 背景が同一であるという誤った仮定を是正することで、観測された相関関数比と非ゼロのCME信号を一貫した物理的解釈で結びつけること。

提案手法

• 著者らは、磁場成分の二乗の投影比（R_B = 1.17 ± 0.05）と楕円流れ（R_v₂ = 1.0151）の比を用いて、CME駆動信号比を計算し、λ_s = 0.15 ± 0.05 を得た。
• 非CME背景比 λ_b は、STARの多重度分布データから平均逆多重度 ⟨1/N⟩ を計算することで推定され、⟨1/N⟩_Ru = 0.01260、⟨1/N⟩_Zr = 0.01328 となり、λ_b = 0.05084 が得られた。
• 測定された相関関数比 R = Δγ_Ru / Δγ_Zr は表1から R = 0.9641 ± 0.0037（20–50%の中心性クラス）として抽出された。
• 線形重ね合わせモデルを用い、信号寄与率 f_s を f_s = (R - λ_b) / (λ_s - λ_b) により計算し、f_s = (6.8 ± 2.6)% が得られた。
• 感度解析として、異なる解析グループ（Group-1, Group-2, Group-3）のRの極端な値を用い、f_s = (5.2 ± 4.0)% から (11.7 ± 3.6)% の範囲が得られた。
• 多重度スケーリングに対する非フロー補正を考慮し、λ_b に±0.01の不確実性が存在する可能性を認め、f_s に顕著な影響を与える可能性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RuRuとZrZr衝突におけるCME観測量の比は、非ゼロのCME信号と整合的か、それとも背景の違いによる見かけの抑制か？
• RQ2 RuRuとZrZr衝突におけるハドロン多重度および集団的流れの差は、CME探索における同一背景仮定をどの程度無効にするか？
• RQ3 観測された背景のばらつきを補正した後、測定された相関関数比に対するCME信号寄与率はどの程度か？
• RQ4 多重度スケーリングおよび背景モデルにおける非フロー効果の不確実性は、抽出されたCME信号寄与率にどの程度感度を示すか？
• RQ5 背景を適切に補正すれば、STARのバリオン数が等しい衝突データは理論的期待値と整合するか？

主な発見

• ハドロン多重度および集団的流れの違いを補正した後、STARのバリオン数が等しい衝突データは、(6.8 ± 2.6)% の有限なCME信号寄与率と整合的である。
• CME駆動信号比パラメータは、磁場成分の二乗の投影比（R_B = 1.17 ± 0.05）と楕円流れ（R_v₂ = 1.0151）の比に基づき、λ_s = 0.15 ± 0.05 と推定された。
• 非CME背景比は、平均逆多重度 ⟨1/N⟩ を用いて λ_b = 0.05084 と推定され、⟨1/N⟩_Ru = 0.01260、⟨1/N⟩_Zr = 0.01328 が得られた。
• 測定された相関関数比 R = Δγ_Ru / Δγ_Zr は 0.9641 ± 0.0037 であり、CMEの欠如によるものではなく、背景効果によるものである。
• 感度解析により、信号寄与率は解析グループによるRの測定値に応じて (5.2 ± 4.0)% から (11.7 ± 3.6)% の範囲に変動した。
• 本研究は、初期のCME信号なしという結論が、多重度および流れの差を無視した同一背景仮定に基づく誤った仮定によって無効であったことを強調した。