[論文レビュー] Signatures of the spin Hall effect in hot and dense QCD matter

Baochi Fu, Long-Gang Pang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、RHICビームエネルギースキャン（BES）エネルギーにおける高温・高密度のQCD物質におけるスピンホール効果（SHE）が、バリオン化学ポテンシャルの勾配によって駆動され、ラムダヒペロンにおける測定可能なスピン偏光を生じると提案している。(3+1)次元の粘性流体力学モデルにAMPT初期条件を適用した結果、ネットスピン偏光の第二フーリエ調和成分 $P_{2,z}^{ ext{net}}$ および $P_{2,y}^{ ext{net}}$ が、SHEの有無に応じて顕著な符号およびエネルギー依存性を示すことが予測され、これがSHE検出の特徴的な実験的シグネチャを提供する。

ABSTRACT

The spin Hall effect (SHE) is a generation of spin polarization for moving spin carriers in materials under an external electric field and has been observed in semiconductors, metals, and insulators at or below room temperature. Recent theoretical analyses show that spin Hall current can be induced by the baryon chemical potential gradient which plays the role of the analogous electric field and which becomes sizable in the fireballs created in heavy-ion collisions at beam energy of ${\cal O}(10)$~GeV. In this letter, we study this important mechanism for spin polarization generation that has not been systematically explored before and predict the signature of the SHE in those collisions using a (3+1)~D viscous hydrodynamic model MUSIC with AMPT initial condition. We propose to use the second Fourier coefficients of the net spin polarization of Lambda hyperon as sensitive probes to search for the SHE. Those SHE observables show a qualitative difference in both the sign and beam energy dependence for the situations with and without the SHE. Future experimental observation of these distinct qualitative features would provide strong evidence for the existence of the SHE in the hot and dense QCD matter at trillions of degrees.

研究の動機と目的

• RHIC-BESエネルギーにおける高温・高密度のQCD物質において、スピンホール効果（SHE）がスピン偏光を生成する役割を調査すること。
• SHEの寄与を、渦度やせん断誘起偏光といった他のスピン偏光メカニズムと区別できる実験的に測定可能な観測量を同定すること。
• バリオン化学ポテンシャル勾配がラムダおよび反ラムダハイペロンの微分的スピン偏光に与える影響を定量化すること。
• 第二フーリエ調和成分が、重イオン衝突におけるSHEの検出に感度が高いプローブであることを示すこと。

提案手法

• 本研究では、$\sqrt{s_{NN}} = 7.7$ GeVにおける重イオン衝突におけるQCD物質の時空的進化をシミュレートするために、MUSICを用いた(3+1)次元の粘性流体力学モデルにAMPT初期条件を適用する。
• スピンキャリアの運動量を表す$\bm{p}$とバリオン電荷$q_B$を用いた関係式 $\bm{P} \propto -\bm{p} \times (q_B \nabla \mu_B)$ を用いて、バリオン化学ポテンシャル勾配へのSHE応答をモデル化し、ラムダおよび反ラムダハイペロンのスピン偏光をウィグナー関数形式と相対論的運動論理論を用いて計算する。
• SHEに起因するスピン偏光は、関係式 $\bm{P} \propto -\bm{p} \times (q_B \nabla \mu_B)$ を用いてモデル化され、ここで $q_B$ はバリオン電荷、$\bm{p}$ はスピンキャリアの運動量を表す。
• SHE効果を分離するために、ネットスピン偏光の第二フーリエ係数 $P_{2,z}^{\text{net}}$ および $P_{2,y}^{\text{net}}$ を主観測量として抽出する。
• 渦度、せん断誘起偏光（SIP）、および温度勾配の寄与をモデルに組み込み、SHE寄与は、SHEを含むと含まない場合の比較シミュレーションにより分離する。
• 初期条件、せん断および体積粘性率、バリオン拡散、状態方程式の変動に対する感度解析を実施し、SHEシグナルの堅牢性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン化学ポテンシャル勾配に起因するスピンホール効果が、RHIC-BESエネルギーにおけるラムダハイペロンの微分的スピン偏光に測定可能なシグナルを生じるか？
• RQ2 SHEが含まれる場合と含まれない場合とで、ネットスピン偏光の第二フーリエ調和成分の符号およびビームエネルギー依存性にどのような差が生じるか？
• RQ3 低エネルギー領域における、SHEの寄与が渦度やせん断誘起偏光といった既知のスピン偏光メカニズムと比較して、どの程度の大きさの寄与を示すか？
• RQ4 ネットスピン偏光の第二調和成分 $P_{2,z}^{\text{net}}$ および $P_{2,y}^{\text{net}}$ は、重イオン衝突におけるSHE検出に耐障害性があり、分離可能なプローブとして有効か？

主な発見

• SHEによるラムダハイペロンの微分的スピン偏光への寄与は、$\sqrt{s_{NN}} = 7.7$ GeVにおける渦度やせん断誘起偏光の寄与と同程度の大きさである。
• ネットスピン偏光の第二フーリエ調和成分 $P_{2,z}^{\text{net}}$ および $P_{2,y}^{\text{net}}$ は、SHEを含むか否かによって、符号およびビームエネルギー依存性において顕著な定性的な差を示す。
• $P_{y}^{\text{net}}$ におけるSHE寄与の符号は、バリオン化学ポテンシャルの縦断的プロファイルに敏感であり、ビームエネルギーが低下するに従い、負から正に反転する可能性がある。
• 個々の成分 $P_{z,y}$ や $\overline{P}_{z,y}$ よりも、ネットスピン偏光がSHEに起因する化学ポテンシャル勾配効果を他のメカニズムから分離する上でより感受性が高いため、SHEの検出に有効である。
• 初期バリオン密度、流れのプロファイル、せん断および体積粘性率、バリオン拡散、状態方程式の変動を、現実的な範囲で変化させても、SHEシグナルは依然として堅牢である。
• モデル結果から、$P_{z}^{\text{net}}$ におけるSHE寄与は正であり、SIPおよび温度勾配寄与と同程度の大きさで、低エネルギー領域ではSIPと同じ符号を示すことが示された。