[論文レビュー] Macroscopic Chirality Fluctuations in Heavy Ion Collisions should induce CP forbidden Decays

R. Millo, Edward Shuryak|ArXiv.org|Dec 24, 2009

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、重イオン衝突におけるマクロなヘリシティフラクチュエーションが、非ゼロのθ(x)を持つCP奇性領域を生成し、η → π⁺π⁻のような観測可能なCP禁止崩壊を引き起こすと提案している。これらの崩壊は、許可された崩壊と比較して数個のオーダー大きく予測されており、ηメソンの約~0.1%がこのように崩壊すると予想され、もしインヴァリエント質量分解能が十分であれば、現在のRHICデータで検出可能である。

ABSTRACT

f large fluctuations of quark chirality occur in heavy ion collisions, they result in macroscopic CP-odd "spots" of the so called theta-vacua, with a non-zero $θ(x)$. We consider particular decays of mesons, CP-forbidden in the vacuum with zero $θ$, like $η o ππ$. We evaluate their rates for such decays near hadronic freezeout. These rates, as well as charge asymmetries already observed, are proportional to square of the CP-violating parameter $$ averaged over the fireball and events. With such input, we found that the forbidden decay rates are likely to be orders of magnitude larger than CP-allowed ones. We further estimated that up to about one per mill of $η$ mesons produced in heavy ion collisions should decay in this way. We further discuss how those can be observed. We argue using STAR data on charge asymmetries for AuAu and CuCu collisions that the size of CP-odd spots at freezeout is as large as Cu nuclei: this fortunate fact (not explained so far by itself) suggests that the two-pion invariant mass is modified by only about a percent, which is comparable to experimental resolution. If so, we think experimental observation of these decays is within the reach of current dataset. If those decays are found, it would confirm that CP-odd interpretation of charge asyymetry is correct, even without complication related to geometry, impact parameter or magnetic field induced on the fireball.

研究の動機と目的

• クォーク・グルーオンプラズマにおけるマクロなCP奇性フラクチュエーションが、η や η′ などのメソンのCP禁止崩壊を誘導するかどうかを調査すること。
• CP破れパラメータ⟨θ²⟩の二乗平均に基づいて、これらの崩壊の分岐比を推定すること。
• STARデータで観測された電荷非対称性のCP奇性解釈を、磁場や幾何的要因とは独立して直接実験的に検証すること。
• 現在の実験的統計と分解能を用いて、これらの崩壊を観測可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 冷却時の火球を、初期のヘリシティフラクチュエーションに起因する拡散・融合を経て非ゼロのθ(x)を持つ局所的CP奇性スポットを含むものとしてモデル化する。
• チャーミカルラグランジアンを用いて、θ(x)とメソンとの結合、特にη → π⁺π⁻のようなCP禁止過程の崩壊振幅を記述する。
• 崩壊率を⟨θ²⟩に比例するとし、火球全体およびイベント全体にわたるCP破れパラメータの平均の二乗に比例してスケーリングする。
• STARデータの電荷相関（R(+-/++)）を分析し、火球に対するCP奇性スポットのサイズを推定する。トリガーバイアスを用いて観測された非対称性を説明する。
• η崩壊からのπ⁺π⁻ペアのインヴァリエント質量分布を、ランダムペアの統計的バックグラウンドと比較する。信号の特徴的な運動量構造を活用する。
• 実験的分解能が信号とバックグラウンドを解離可能であると仮定して、既存のRHICデータセットを用いた検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却時のクォーク・グルーオンプラズマにおけるマクロなCP奇性フラクチュエーションが、η → π⁺π⁻のようなメソンの観測可能なCP禁止崩壊を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 CP禁止崩壊（例：η → π⁺π⁻）の期待される分岐比は何か？ そして、現在のデータで検出可能程度の大きさか？
• RQ3 STARの電荷相関データから推定されるCP奇性スポットのサイズは、火球の幾何構造と実験的分解能の関係においてどのように関係するか？
• RQ4 CP禁止崩壊の観測が、磁場や幾何的要因とは独立して⟨θ²⟩の直接的な測定を可能にするか？
• RQ5 CP奇性効果によって引き起こされる二粒子系のインヴァリエント質量シフトは、実験的分解能と同等か、それ以上に大きく、検出が可能か？

主な発見

• η → π⁺π⁻ などのCP禁止崩壊の率は、対応するCP許可3メソン崩壊と比較して、数個のオーダー大きく予測される。
• 重イオン衝突で生成されるηメソンの約0.1%が、CP禁止的η → π⁺π⁻チャネルで崩壊すると予想される。
• STARデータ（CuCu衝突でR(+-/++) ≈ 1）に基づき、冷却時のCP奇性スポットのサイズは63Cu原子核と同等であると推定される。
• 二粒子系のインヴァリエント質量は約1%の変化を受けると予想され、これは現在の検出器の分解能に収まるため、観測が可能である。
• 冷却温度T_f ≈ 170 MeVにおけるパイオンの高い運動量を考慮すると、η′ → π⁺π⁻ 崩壊の信号対バックグラウンド比は、より高くなる可能性がある。
• これらの崩壊の観測は、磁場や幾何的モデルに依存せずに、電荷非対称性のCP奇性起源を直接かつ独立して確認する手がかりを提供する。