[논문 리뷰] Magnetohydrodynamics, charged currents and directed flow in heavy ion collisions

Umut Gürsoy, Dmitri E. Kharzeev외 1명|Utrecht University Repository (Utrecht University)|2014. 01. 16.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 비중앙 중이온 충돌에서 강한 시간에 따라 변하는 자기장이 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 파라데이 및 홀 효과를 통해 전하를 띤 전류를 유도하며, 이로 인해 빠르기 양성과 전하 쌍대성에 대해 홀로된 방향성 유동($v_1$)이 발생한다. 주요 결과는 이 효과들이 서로 다른 빠르기에서 이질적인 전하를 띤 하드론의 방향성 유동 간에 측정 가능한 상관관계를 유도하며, 이는 중이온 실험에서 초기 자기장을 탐지하기 위한 청결한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

The hot QCD matter produced in any heavy ion collision with a nonzero impact parameter is produced within a strong magnetic field. We study the imprint that these fields leave on the azimuthal distributions and correlations of the produced charged hadrons. The magnetic field is time-dependent and the medium is expanding, which leads to the induction of charged currents due to the combination of Faraday and Hall effects. We find that these currents result in a charge- dependent directed flow v1 that is odd in rapidity and odd under charge exchange. It can be detected by measuring correlations between the directed flow of charged hadrons at different rapidities, $\langle v_1^\pm(y_1)v_1^\pm(y_2) angle$.

연구 동기 및 목표

• 비중앙 중이온 충돌에서 시스템의 관찰자 전하로부터 기인하는 강력하고 일시적인 자기장을 탐지할 수 있는 관측 가능한 서명을 규명하는 것.
• 시간에 따라 변하는 자기장과 팽창하는 쿼크-글루온 플라즈마가 파라데이 및 홀 효과를 통해 전하를 띤 전류를 어떻게 생성하는지 분석하는 것.
• 빠르기 및 횡방향 운동량에 따라 최종 상태 하드론의 전하 의존성 방향성 유동($v_1$)의 크기를 추정하는 것.
• 초기 자기장의 잔여 흔적을 탐지하기 위해 측정 가능한 관측량—$v_1^\pm(y_1)$ 및 $v_1^\pm(y_2)$ 간의 상관관계—를 제안하는 것.
• 특히 자기장 효과가 증폭될 수 있는 저에너지 충돌에서 RHIC 및 LHC에서 이러한 효과를 실험적으로 탐색할 것을 촉구하는 것.

제안 방법

• 비중앙 충돌에서 Biot-Savart 법칙을 사용하여 자기장을 모델링하며, 관찰자 입자가 직선으로 이동한다고 가정한다.
• 파라데이 법칙을 적용하여 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 유도된 전기장을 계산하며, 이로 인해 전류 밀도 $\vec{J}_{\text{Faraday}} \propto \partial_t \vec{B}$ 가 유도된다.
• 운동하는 입자가 자기장 내에서 떠도는 데에 기인한 레온드르 힘을 사용하여 홀 전류를 계산하며, 이로 인해 $\vec{J}_{\text{Hall}} \propto \vec{u} \times \vec{B}$ 가 유도되며, 여기서 $\vec{u}$ 는 플라즈마의 유속이다.
• 두 전류 기여를 통합하고 시공간에 걸쳐 적분하여 양성 하드론의 순방향성 유동 $v_1$ 을 계산한다.
• 고정된 전기 전도도 $\sigma$ 와 저항 계수 $\mu m$ 를 가정하고, 상대론적 유체역학의 구브서 해를 사용하여 팽창하는 플라즈마를 모델링한다.
• 자기장이 전하 의존성 유동에 미치는 영향을 조사하기 위해 상관 함수 $\langle v_1^\pm(y_1) v_1^\pm(y_2) \rangle$ 를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비중앙 중이온 충돌에서 시간에 따라 변하는 자기장이 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 관측 가능한 전하를 띤 전류를 유도할 수 있는가?
• RQ2 파라데이 및 홀 효과가 최종 상태에서 순전하 의존성 방향성 유동($v_1$)을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 유도된 $v_1$ 이 빠르기 $Y$ 와 횡방향 운동량 $p_T$ 에 어떻게 의존하는가?
• RQ4 상관관계 $\langle v_1^\pm(y_1) v_1^\pm(y_2) \rangle$ 는 초기 자기장의 잔여 흔적을 탐지하기 위한 청결한 실험적 서명으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 RHIC와 LHC 에너지 간의 효과 크기 비교는 어떻게 되며, 저에너지에서 효과가 증폭되는가?

주요 결과

• 쿼크-글루온 플라즈마 내 순전하 전류는 파라데이 효과와 홀 효과 간의 부분적 상쇄로 인해 발생하며, 이로 인해 방향성 유동의 빠르기 및 $p_T$ 의 비트리비얼한 의존성이 발생한다.
• 유도된 $v_1$ 은 빠르기 양성과 전하 교환에 대해 홀로되며, 자기장 효과의 특징적인 서명이 된다.
• 전하 의존성 $v_1$ 의 크기는 빠르기 및 $p_T$ 에 따라 $10^{-3}$ 에서 $10^{-2}$ 수준으로 추정되며, RHIC 에서의 효과가 LHC 에서의 효과보다 더 클 것으로 예상된다.
• 상관관계 $\langle v_1^\pm(y_1) v_1^\pm(y_2) \rangle$ 는 핵심 관측량으로 제안되며, 이의 부호는 파라데이 효과와 홀 효과의 우세에 따라 달라진다.
• RHIC 빔 에너지 스캔에서 $\sqrt{s} = 7.7$ 및 11.5 AGeV 에서의 초도 데이터는 예측된 $v_1$ 행동의 힌트를 보이며, 더 높은 통계의 측정이 필요하다는 것을 뒷받침한다.
• 효과는 저에너지에서 더 크게 예상되며, 자기장 지속 시간이 길어지기 때문이다. 그러나 상전이 및 비이상적 유체역학으로 인해 모델링이 더욱 복잡해진다.