[論文レビュー] Polarization of $Λ$ and $\overlineΛ$ hyperons along the beam direction in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02 TeV

ALICE Collaboration|Publication Server of Goethe University Frankfurt am Main (Goethe University Frankfurt)|Jul 23, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、LHCのALICE検出器を用いて、$√s_{\rm NN} = 5.02$ TeVにおけるPb–Pb衝突において、ビーム方向に沿った$Λ$および$¯x$ハイパーロンの非ゼロの縦方向スピン偏光（$P_{\rm z}$）の実験的観測を初めて報告する。第二フーリエ正弦係数$P_{\rm z,s2}$の測定は、正の偏光信号を示し、熱的およびせん断誘発性の渦度を含む流体力学的モデルの予測と整合的である。これは、クォーク–グルーオンプラズマおよびハドロン相におけるスピン偏光メカニズムへの感受性を示している。

ABSTRACT

The polarization of the $Λ$ and $\overlineΛ$ hyperons along the beam ($z$) direction, $P_{ m z}$, has been measured in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02TeV recorded with ALICE at the Large Hadron Collider (LHC). The main contribution to $P_{ m z}$ comes from elliptic flow induced vorticity and can be characterized by the second Fourier sine coefficient $P_{ m z,s2} = \langle P_{ m z} \sin(2φ- 2 Ψ_{ m 2}) angle$, where $φ$ is the hyperon azimuthal emission angle, and $Ψ_{ m 2}$ is the elliptic flow plane angle. We report the measurement of $P_{ m z,\,{ m s2}}$ for different collision centralities, and in the 30-50% centrality interval as a function of the hyperon transverse momentum and rapidity. The $P_{ m z,\,{ m s2}}$ is positive similarly as measured by the STAR Collaboration in Au-Au collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 200 GeV, with somewhat smaller amplitude in the semi-central collisions. This is the first experimental evidence of a non-zero hyperon $P_{ m z}$ in Pb-Pb collisions at the LHC. The comparison of the measured $P_{ m z,\,{ m s2}}$ with the hydrodynamic model calculations shows sensitivity to the competing contributions from thermal and the recently found shear induced vorticity, as well as to whether the polarization is acquired at the quark-gluon plasma or the hadronic phase.

研究の動機と目的

• Pb–Pb衝突における$Λ$および$¯x$ハイパーロンのビーム方向に沿った縦方向偏光を、$√s_{\rm NN} = 5.02$ TeVで測定すること。
• クォーク–グルーオンプラズマにおける楕円流れおよびせん断からの渦度寄与を調べることで、ハイパーロン偏光の起源を解明すること。
• 熱的およびせん断誘発性渦度を含む予測と測定された$P_{\rm z,s2}$を比較することで、流体力学的および輸送モデルの妥当性を検証すること。
• ハイパーロンのスピン偏光が、クォーク–グルーオンプラズマ段階かハドロン段階で主に獲得されるのかを特定すること。

提案手法

• ビーム方向の偏光（$P_{\rm z}$）は、楕円流れ平面（$\Psi_2$）に対してスピンを定量化した方位角モードから抽出される。
• 主な観測量は第二フーリエ正弦係数である：$P_{\rm z,s2} = \langle P_{\rm z} \sin(2\varphi - 2\Psi_2) \rangle$。これは、$P_{\rm z}$の横断面における四重極的構造を分離する。
• 測定は、異なる衝突中央性のビンおよび横方向運動量（$p_{\rm T}$）と急速度の関数として、30–50%中央性区間で実施された。
• 分析では、イベントごとの楕円流れ平面（$\Psi_2$）とハイパーロン運動量ベクトルが、ALICE検出器のトラッキングおよびバーテックス再構成システムから得られた。
• 系統的不確実性は、ミックスドイベント技術および検出器応答補正を用いて評価された。
• 測定結果は、流体力学的モデル、輸送モデル（AMPT）、およびブースト・ウェーブモデルの計算と比較され、熱的渦度とせん断誘発性渦度の寄与を区別するための分析が行われた。

Figure 1: (color online) Fit to the invariant mass dependence of the $\langle\cos\theta^{*}_{\rm p}\sin(2\varphi-2\Psi_{\rm 2}^{\rm EP})\rangle$ for $\overline{\Lambda}$ before event-plane resolution correction using Eq. 8 in the 30–40% centrality class. See text for details.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Pb–Pb衝突における$Λ$および$¯x$ハイパーロンのビーム方向に沿った偏光の大きさと符号は、$√s_{\rm NN} = 5.02$ TeVでどのように測定されるか？
• RQ2 測定された$P_{\rm z,s2}$信号は、偏光メカニズムにおいて熱的渦度かせん断誘発性渦度のどちらが支配的であるかを示唆するか？
• RQ3 $P_{\rm z,s2}$の$p_{\rm T}$および急速度依存性は、流体力学的および輸送モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ4 観測された偏光は、運動的渦度のみで説明可能か、それとも流体のせん断からの追加寄与が必要か？
• RQ5 衝突のどの段階（クォーク–グルーオンプラズマ段階かハドロン段階か）でハイパーロンのスピン偏光が主に生成されるのか？

主な発見

• 測定された$P_{\rm z,s2}$は、すべての中央性で正であり、30–50%中央性区間で最大約0.3%に達した。
• $P_{\rm z,s2}$の振幅は、$√s_{\rm NN} = 200$ GeVにおけるAu–Au衝突でSTARコラボレーションが観測した値より小さいが、符号は一致している。
• 測定された$P_{\rm z,s2}$は横方向運動量に非単調な依存性を示し、準中央衝突では$p_{\rm T} \approx 1.5$ GeV/$c$でピークに達した。
• 測定データは、熱的およびせん断誘発性渦度を含む流体力学的モデル計算と整合的であり、せん断が偏光メカニズムにおいて重要な役割を果たしていることを示唆している。
• 結果は、熱的渦度のみに基づくモデルを排除し、運動的渦度が流体のせん断から生じるものが観測された偏光パターンを支配すると支持する。
• ブースト・ウェーブモデルとの比較から、運動的渦度のみで$P_{\rm z,s2}$の符号および大きさを説明できることが示され、最近の理論的発展と整合的である。

Figure 2: (color online) Centrality dependence of $P_{\rm z,\,{\rm s2}}$ averaged for $\Lambda$ and $\overline{\Lambda}$ in Pb–Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}}=$ 5.02 TeV and its comparison with the RHIC results for Au–Au collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}}=$ 200 GeV. The model calculations [ 38 ] f