[論文レビュー] Magnetohydrodynamics, charged currents and directed flow in heavy ion collisions

Umut Gürsoy, Dmitri E. Kharzeev+1 more|Utrecht University Repository (Utrecht University)|Jan 16, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、非中心的重イオン衝突における強い時変磁場が、クォーカー・グルーオンプラズマ内でのファラデー効果およびホール効果により電荷を帯びた電流を誘導し、その結果としてラピディティに関して奇関数的で、電荷共役変換に関しても奇関数的な電荷依存性を持つ指向的流れ（$v_1$）が生じることを提案する。主な結果は、異符号のハドロンの指向的流れの間で異なるラピディティにおいて測定可能な相関が生じることであり、これは重イオン実験における初期時刻の磁場を検出する明確なシグネチャーを提供する。

ABSTRACT

The hot QCD matter produced in any heavy ion collision with a nonzero impact parameter is produced within a strong magnetic field. We study the imprint that these fields leave on the azimuthal distributions and correlations of the produced charged hadrons. The magnetic field is time-dependent and the medium is expanding, which leads to the induction of charged currents due to the combination of Faraday and Hall effects. We find that these currents result in a charge- dependent directed flow v1 that is odd in rapidity and odd under charge exchange. It can be detected by measuring correlations between the directed flow of charged hadrons at different rapidities, $\langle v_1^\pm(y_1)v_1^\pm(y_2) angle$.

研究の動機と目的

• 非中央衝突から生じるスペクテーター電荷に起因する強い一時的磁場の観測可能なシグネチャーを特定すること。
• 時間変動する磁場と膨張するクォーカー・グルーオンプラズマがファラデー効果およびホール効果を通じて電荷を帯びた電流を生成する仕組みを分析すること。
• ラピディティおよび横運動モーメントムの関数として、最終状態ハドロンにおける電荷依存指向的流れ（$v_1$）の大きさを推定すること。
• 初期磁場の痕跡を検出可能な観測量として、$v_1^\pm(y_1)$ と $v_1^\pm(y_2)$ 間の相関を提案すること。
• RHICおよびLHCにおける実験的探索を促進すること、特に効果が強化される可能性がある低エネルギー衝突において。

提案手法

• 非中央衝突における磁場を、スペクテーターが直線的に運動すると仮定してビオ・サバールの法則でモデル化する。
• 時間変動磁場に起因する誘導電場を計算するため、ファラデーの法則を適用し、電流密度 $\vec{J}_{\text{Faraday}} \propto \partial_t \vec{B}$ を得る。
• 磁場中を運動する電荷に作用するローレンツ力に基づき、ホール電流を計算し、$\vec{J}_{\text{Hall}} \propto \vec{u} \times \vec{B}$（$\vec{u}$ はプラズマの流れ速度）の形で得る。
• 両電流寄与を合成し、時空にわたって統合することで、荷電ハドロンの指向的流れ $v_1$ を計算する。
• 定常的電気伝導度 $\sigma$ および抵抗パラメータ $\mu m$ を仮定して、相対論的流体力学のガブザーの解析解を用いて膨張するプラズマをモデル化する。
• 磁場の影響が電荷依存流れに与える影響を調べるため、相関関数 $\langle v_1^\pm(y_1) v_1^\pm(y_2) \rangle$ を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中央衝突における時間変動磁場が、クォーカー・グルーオンプラズマ内に観測可能な電荷を帯びた電流を生成できるか？
• RQ2 ファラデー効果とホール効果がどのように組み合わさり、最終状態における電荷依存指向的流れ（$v_1$）を生じるか？
• RQ3 得られる $v_1$ のラピディティ $Y$ および横運動モーメントム $p_T$ 依存性はどのように変化するか？
• RQ4 相関 $\langle v_1^\pm(y_1) v_1^\pm(y_2) \rangle$ は、初期時刻の磁場の痕跡を明確に示す実験的シグネチャーとして機能できるか？
• RQ5 RHICとLHCのエネルギー間で効果の大きさはどのように異なり、低エネルギーで強化されるか？

主な発見

• ファラデー効果とホール効果の部分的キャンセルにより、クォーカー・グルーオンプラズマ内での合成電流が生じ、指向的流れのラピディティおよび $p_T$ 依存性が非自明なものとなる。
• 得られる $v_1$ はラピディティに関して奇関数的で、電荷交換に関しても奇関数的であり、磁場効果の特徴的なシグネチャーとなる。
• 電荷依存 $v_1$ の大きさは、ラピディティおよび $p_T$ に依存して $10^{-3}$ から $10^{-2}$ のオーダーと推定され、RHICエネルギーでLHCエネルギーよりも大きな効果が期待される。
• 相関 $\langle v_1^\pm(y_1) v_1^\pm(y_2) \rangle$ は、主要な観測量として提案され、ファラデー効果とホール効果の支配的寄与に応じて符号が変化する。
• RHICビームエネルギースキャンにおける $\sqrt{s} = 7.7$ および 11.5 AGeV の初期データから、予測された $v_1$ の振る舞いの兆候が観測されており、統計的精度を高めた測定の必要性を示唆している。
• 磁場の持続時間が長くなるため、低エネルギーで効果が大きくなると予想されるが、相転移や非理想流体力学の影響によりモデル化が複雑化する。