[論文レビュー] The search for magnetic-induced charged currents in Pb--Pb collisions with ALICE

Jacopo Margutti|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ALICEを用いて、$√s_{\text{NN}}=5.02$ TeVにおけるPb–Pb衝突において、包括的荷電粒子のpseudorapidity-oddな方向流れ（$v_1^\text{odd}$）の測定を初めて行った。時間変化する磁場から予測される電磁気的効果—クォーク- gluonプラズマにおける磁場誘導電流—を検証し、電荷依存性のある$v_1^\text{odd}$の勾配が$1.68 \pm 0.49$（統計）$\pm 0.41$（系誤差）$\times 10^{-4}$であることを明らかにした。これは2.6$\sigma$の有意性を示したが、理論的予測とは符号や大きさで不一致であった。

ABSTRACT

In non-central heavy-ion collisions unprecedented strong magnetic fields, of the order of 10$^{18}$ Gauss, are expected to be produced. The interplay of such fields with QCD anomalies in the Quark--Gluon Plasma (QGP) has been predicted to lead to a number of interesting phenomena, such as the Chiral Magnetic Effect (CME). While several experimental observations are partially consistent with predictions of a CME signal, it is hard to distinguish them unambiguously from a combination of more mundane phenomena present in the anisotropic expansion of the QGP. This makes it imperative to establish that the early-time magnetic field has observable consequences not related to the anomalous QCD effects on final-state charged particles and to calibrate its strength. We test a recent prediction of a pure electromagnetic effect, which may arise in heavy-ion collisions. The varying magnetic field would induce a current within the QGP, which is expected to leave a very peculiar imprint on final-state particles: a contribution to directed flow which is asymmetric both in charge and pseudorapidity. We report the measurement of the charge dependence of directed flow with respect to the spectator plane for unidentified charged particles in Pb--Pb collisions at $\sqrt{s_ ext{NN}} = 5.02$ TeV.

研究の動機と目的

• 非中央衝突における時間変化する磁場から予測される新しい電磁気的効果を検証すること。
• pseudorapidityに関して奇関数であり、電荷の符号が反対である場合に符号が逆転する、純粋に電磁気的寄与による方向流れを分離すること。
• 異常なQCD効果（例：手術的磁気効果（CME））に依存しない、初期時刻における磁場強度と持続時間の校正を提供すること。
• Pb–Pb衝突における$√s_{\text{NN}}=5.02$ TeVでの$v_1^\text{odd}$の電荷依存性を測定し、クォーク-グルーオンプラズマ内に誘導電流が存在するかを調べること。
• 観測された信号がCMEや他の流体力学的効果ではなく、磁場の影響によるものかどうかを評価すること。

提案手法

• ALICE検出器が得た、$√s_{\text{NN}}=5.02$ TeVにおけるPb–Pb衝突データを用い、統合された放射線度が8 $\mu$b$^{-1}$であり、5–40%の中心性領域で2×10$^7$件のイベントを選別した。
• ZDC-AおよびZDC-Cのニュートロンカルリメータに蓄積されたエネルギー損失を用いて、そらびの平面を再構築し、セグメント化されたエネルギー損失と非線形重み付け（$\alpha = 0.395$）を用いて飽和効果を補正した流れベクトルを構築した。
• トラックの運動量、pseudorapidity、方位角角度を用い、スカラー積法により方向流れを測定した。効率および受容領域補正には、粒子に依存する重みを適用した。
• pseudorapidity-odd成分の方向流れを$v_1^{\text{odd}} = \frac{1}{2}(v_1^{\text{ZDC-A}} - v_1^{\text{ZDC-C}})$として定義し、反応平面における非対称性を分離した。
• 電荷差$\Delta v_1^{\text{odd}} = v_1^{\text{odd+}} - v_1^{\text{odd-}}$を線形関数$k \cdot \eta$でフィッティングし、電荷依存性非対称性を定量化した。
• 系統的補正を適用し、統計的誤差と系統的誤差を別々に報告した。有意性は2.6$\sigma$で評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非中央衝突における初期時刻の磁場が、クォーク-グルーオンプラズマに電荷依存性電流を誘導するか？
• RQ2 その結果生じる電磁気的効果が、電荷および符号に関して非対称なpseudorapidity-oddな方向流れ成分を生じるか？
• RQ3 観測された$v_1^{\text{odd}}$の電荷依存性が、磁場誘導電流の理論的予測と整合するか？
• RQ4 この信号が、手術的磁気効果（CME）や他の流体力学的効果の寄与から分離可能か？
• RQ5 この測定が、高エネルギー重イオン衝突における磁場強度と持続時間に関するどのような制約をもたらすか？

主な発見

• pseudorapidityに対する$v_1^{\text{odd}}$の電荷差の勾配は、$k = 1.68 \pm 0.49$（統計）$\pm 0.41$（系誤差）$\times 10^{-4}$として測定され、電荷依存性の信号を示した。
• 信号の全有意性は2.6$\sigma$であり、方向流れ成分における非ゼロの電荷非対称性を示唆した。
• 観測された勾配の大きさと符号は、$√s_{\text{NN}}=2.76$ TeVにおける$\pi^{\pm}$の理論的予測とは、最大2桁の違いがあり、符号が逆転していた。
• $√s_{\text{NN}}=2.76$から5.02 TeVに至るエネルギー上昇に伴い、$v_1^{\text{odd}}$の勾配は1.3倍減少した。これは高エネルギーで系の回転が減少する傾向と整合的であった。
• |\eta| < 0.8の範囲で、両エネルギーにおいて$v_1^{\text{odd}}$に中心性依存性は観測されず、比較の有効性を支持した。
• 理論的予測とは符号および大きさで著しく異なることから、信号が磁場誘導電流由来であるかどうかを確認するため、さらなる理論的および実験的検討が必要であることが示唆された。