[論文レビュー] Topologically induced local P and CP violation in QCD x QED

Dmitri E. Kharzeev|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2009

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 62被引用数 118

ひとこと要約

本稿では、軸性異常を介して媒介され、強い電磁場によって強化されるQCD真空内の位相的揺動が、磁場線に沿った電荷分離を示す chirality magnetic effect を通じて、局所的なPおよびCP対称性の破れを引き起こすと提案している。主な結果は、この効果に関する理論的および格子QCDによる証拠であり、後にSTAR協同研究の相対論的重イオン衝突における電荷依存性アズマトピーク積算の観測によって確認された。

ABSTRACT

The existence of topological solutions and axial anomaly open a possibility of P and CP violation in QCD. For a reason that has not yet been established conclusively, this possibility is not realized in strong interactions - the experimental data indicate that a global P and CP violation in QCD is absent. Nevertheless, the fluctuations of topological charge in QCD vacuum, although not observable directly, are expected to play an important role in the breaking of $U_A(1)$ symmetry and in the mass spectrum and other properties of hadrons. Moreover, in the presence of very intense external electromagnetic fields topological solutions of QCD can induce local P- and CP-odd effects in the $SU_c(3) imes U_{em}(1)$ gauge theory that can be observed in experiment directly. Here I show how these local parity-violating phenomena can be described by using the Maxwell-Chern-Simons, or axion, electrodynamics as an effective theory. Local P- and CP- violation in hot QCD matter can be observed in experiment through the "chiral magnetic effect" - the separation of electric charge along the axis of magnetic field. Very recently, STAR Collaboration presented an observation of the electric charge asymmetry with respect to reaction plane in relativistic heavy ion collisions at RHIC.

研究の動機と目的

• 位相的解と軸性異常を介したQCD × QEDにおける局所的PおよびCP対称性の破れの理論的枠組みを確立すること。
• 強力な外部電磁場が、Maxwell-Chern-Simons やアキオン電磁力学といった有効場理論を通じて、QCDにおける位相的効果を観測可能にする仕組みを説明すること。
• チャーミカル磁気効果の理論的予測と、相対論的重イオン衝突における実験的観測を結びつけること。
• QCDプラズマにおける位相的電荷揺動が、強い磁場の存在下で測定可能な電荷分離を引き起こすことを示すこと。
• 高エネルギー核衝突におけるパリティ奇の観測量を通じて、真空の位相的構造を検出するメカニズムを提供すること。

提案手法

• 位相的グルーオン配置と電磁気の結合を記述するための有効場理論（Maxwell-Chern-Simons やアキオン電磁力学）の使用。
• 軸性異常方程式 ∂⁰J⁵ᵤ = −(g²/16π²)GᵘᵛₐG̃ₐᵤᵥ を用いて、軸性カレントの保存が破れるのをモデル化し、P奇の効果を誘導すること。
• チャーミカル磁気効果を電流応答としてモデル化：J⁰ ∝ μ₅B、ここで μ₅ はチャーミカル化学ポテンシャル、B は磁場である。
• 有限温度および結合定数におけるチャーミカル磁気効果の計算のための格子QCDシミュレーション。
• RHICにおける重イオン衝突の実験データを分析し、パリティ奇の効果の署名としての電荷依存性アズマトピーク積算を抽出すること。
• Sakai-SugimotoモデルおよびAdS/CFT双対性を用いた、強い結合領域におけるチャーミカル磁気効果の研究。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い電磁場の存在下で、QCD真空内の位相的揺動が観測可能な局所的PおよびCP対称性の破れを引き起こすか。
• RQ2 軸性異常は、位相的グルーオン配置と電磁流の間の結合をどのように媒介するか。
• RQ3 相対論的重イオン衝突において、チャーミカル磁気効果を検出するための実験的署名は何か。
• RQ4 格子QCDシミュレーションおよび有効場理論が、チャーミカル磁気効果の存在をどの程度支持するか。
• RQ5 位相的電荷密度相関は、QCD物質におけるパリティ奇輸送現象の出現にどのような役割を果たすか。

主な発見

• 有効場理論による予測と格子QCDシミュレーションによる確認により、チャーミカル磁気効果が位相的揺動と電荷分離の直接的リンクを示している。
• STAR協同研究は、RHICにおける相対論的重イオン衝突で、同電荷および異電荷積算の間に顕著な電荷依存性アズマトピークの非対称性を観測した。
• 観測された非対称性は、すべての既知の単純なバックグラウンドと矛盾しており、標準的な重イオン衝突モンテカルロモデルでは再現できない。
• T_c ≤ T ≤ 2T_c の範囲におけるQCDプラズマの位相的電荷密度は、1/T に相当するスケールで強い空間相関を示しており、持続的な位相的揺動を示している。
• チャーミカル磁気効果は、脱コンfinement的かつチャーミカル対称性の高い相を必要とし、チャーミカル対称性が破れた相では、急速なチャーミカル反転により抑制される。
• Sakai-SugimotoモデルおよびAdS/CFTを用いた理論的解析により、チャーミカル磁気効果が強い結合領域でも持続することが示され、その頑健さが支持された。