[論文レビュー] Search for the Chiral Magnetic Effect with Isobar Collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 200 GeV by the STAR Collaboration at RHIC

STAR Collaboration, B. E. Aboona+396 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、STAR協同研究が√sNN = 200 GeVにおける等質量核96Ru+96Ruおよび96Zr+96Zr衝突を盲検分析により行い、キラル磁気効果（CME）を探索した。正確な差分測定を用いた電荷依存性相関の分析により、2つの系間の観測量を0.4%の精度で比較し、顕著なCME信号は観測されず、重イオン衝突におけるCMEに類似する効果の上限を厳密に設定した。

ABSTRACT

The chiral magnetic effect (CME) is predicted to occur as a consequence of a local violation of $\cal P$ and $\cal CP$ symmetries of the strong interaction amidst a strong electro-magnetic field generated in relativistic heavy-ion collisions. Experimental manifestation of the CME involves a separation of positively and negatively charged hadrons along the direction of the magnetic field. Previous measurements of the CME-sensitive charge-separation observables remain inconclusive because of large background contributions. In order to better control the influence of signal and backgrounds, the STAR Collaboration performed a blind analysis of a large data sample of approximately 3.8 billion isobar collisions of $^{96}_{44}$Ru+$^{96}_{44}$Ru and $^{96}_{40}$Zr+$^{96}_{40}$Zr at $\sqrt{s_{ m NN}}=200$ GeV. Prior to the blind analysis, the CME signatures are predefined as a significant excess of the CME-sensitive observables in Ru+Ru collisions over those in Zr+Zr collisions, owing to a larger magnetic field in the former. A precision down to 0.4% is achieved, as anticipated, in the relative magnitudes of the pertinent observables between the two isobar systems. Observed differences in the multiplicity and flow harmonics at the matching centrality indicate that the magnitude of the CME background is different between the two species. No CME signature that satisfies the predefined criteria has been observed in isobar collisions in this blind analysis.

研究の動機と目的

• 同じ衝突エネルギーだが初期状態の磁場が異なる等質量核系を用いて、重イオン衝突におけるキラル磁気効果（CME）の存在を検証すること。
• 電荷および中性子数が異なるが、多重度と幾何的性質が類似した96Ru+96Ruおよび96Zr+96Zr衝突を比較することで、バックグラウンド寄与を低減すること。
• 2つの等質量核系間の多重度および流れ調和の違いを考慮し、CMEに感受する観測量の堅牢なベースラインを確立すること。
• 事前に定義された基準に従って盲検分析を実施し、バイアスを回避し、CME信号探索における統計的厳密性を確保すること。
• 高い精度（0.4%）で電荷依存性相関の相対的大きさを測定することで、CMEに類似する信号の上限を厳密に設定すること。

提案手法

• √sNN = 200 GeVにおける等質量核衝突（96Ru+96Ruおよび96Zr+96Zr）を用い、幾何的および多重度の違いを最小限に抑えつつ、初期磁場の違いによってCME信号を分離する。
• 結果が得られる前に出力の内容を把握しない盲検分析プロトコルを採用し、CME信号探索における客観性を確保する。
• CME感受性のプローブとして、電荷依存性相関を∆γ/v2、κ、k、およびR変数の逆幅（1/σRΨ2）という観測量で測定する。
• 多重度および流れ調和補正をベースライン予測に適用し、先行研究（例：Choudhuryら、2021年）のスケーリング関係を用いて非流れ効果および多重度依存性をモデル化する。
• Ru+RuおよびZr+Zr系間のCME感受性観測量の相対的大きさを0.4%の精度で比較し、過剰信号の有無を検出する。
• 逆多重度比およびr変数（逆符号ペアの過剰）を代替ベースラインとして用い、ノルマ結果の堅牢性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キラル磁気効果は、√sNN = 200 GeVにおける等質量核衝突で測定可能な電荷依存性相関を生じるか？
• RQ2 96Ru+96Ruおよび96Zr+96Zr衝突間の多重度および流れ調和の違いは、CME感受性観測量の解釈にどのように影響するか？
• RQ3 相対的観測量大きさの測定精度が0.4%であるという事実は、背景効果と区別できる真のCME信号を同定可能か？
• RQ4 逆多重度比やr変数といったCME観測量のベースライン期待値は、CMEに類似する信号を排除するのに十分か？
• RQ5 非流れ寄与およびpT依存効果は、この分析におけるCME信号解釈にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 相対的観測量大きさの測定精度が0.4%であるにもかかわらず、Ru+Ru衝突においてCME感受性観測量に顕著な過剰は観測されなかった。
• ∆γ/v2比はκおよびk比よりも絶対値が小さく、多重度依存性のベースラインと整合的であったが、1/σRΨ2比は大きく、pT範囲および非流れ効果への感受性を示した。
• Ru+RuおよびZr+Zr間の逆幅比1/σRΨ2は約1.02と推定され、1/σRΨ2² ≈ NΔγを示唆するスケーリング関係と整合的であった。
• 逆多重度比およびr変数（逆符号ペアの過剰）は両方ともベースラインとしてテストされたが、いずれの基準でもCME信号は得られず、ノルマ結果の強固さが裏付けられた。
• 5つの独立した解析グループが一貫した結果を得ており、盲検分析の堅牢性およびノルマ観測の信頼性が検証された。
• 本研究は、CMEに類似する信号が存在するとしても、この分析の感度閾値以下であると結論づけ、200 GeVにおける等質量核衝突におけるCME効果の上限を厳密に設定した。