[논문 리뷰] 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. Aboona외 396명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 STAR 협동작업이 √sNN = 200 GeV에서 이소바르릭 96Ru+96Ru 및 96Zr+96Zr 충돌을 맹검 분석하여 켈러리스 마그네틱 효과(CME)를 탐색한다. 정밀한 차별 측정을 통해 두 시스템 간의 관측량을 0.4%의 정밀도로 비교하였으며, 유의미한 CME 신호는 관측되지 않았고, 고에너지 이온 충돌에서 CME 유사 효과에 대한 엄격한 상한선을 설정하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동일한 충돌 에너지를 가진 이소바르릭 시스템을 사용하여 고에너지 이온 충돌에서 켈러리스 마그네틱 효과(CME) 존재성을 검증하기 위해.
• 전하 및 중성자 수가 다르지만 다중도와 기하학적 특성이 유사한 96Ru+96Ru 및 96Zr+96Zr 충돌을 비교하여 배경 기여를 줄이기 위해.
• 두 이소바르 시스템 간의 다중도 및 유동 조화수 차이를 고려하여 CME 민감 관측량에 대한 견고한 기초를 확립하기 위해.
• 편향을 방지하기 위해 사전 정의된 기준을 사용한 맹검 분석을 수행하여 CME 신호 탐색의 통계적 엄밀성을 확보하기 위해.
• 정밀도 0.4%로 차별 관측량의 상대 크기를 측정하여 CME 유사 신호에 대한 엄격한 상한선을 설정하기 위해.

제안 방법

• √sNN = 200 GeV에서 이소바르 충돌(96Ru+96Ru 및 96Zr+96Zr)을 활용하여 초기 자기장의 차이를 통해 CME 신호를 분리하고 기하학적 및 다중도 차이를 최소화하기 위해.
• 결과를 알고 있지 않은 상태에서 평가하는 맹검 분석 프로토콜을 적용하여 CME 신호 탐색의 객관성을 확보하기 위해.
• CME 민감도가 있는 탐사수단으로서 ∆γ/v2, κ, k 및 R변수의 역폭넓이(1/σRΨ2) 관측량을 사용하여 전하 의존성 상관관계를 측정하기 위해.
• 다중도 및 유동 조화수 보정을 기초 기대값에 적용하여, 이전 연구(예: Choudhury 등, 2021)에서 유도된 스케일링 관계를 활용해 비유동 효과 및 다중도 의존성의 영향을 모델링하기 위해.
• Ru+Ru 및 Zr+Zr 시스템 간의 CME 민감 관측량 상대 크기를 0.4%의 정밀도로 비교하여 초과 신호 여부를 탐지하기 위해.
• 역다중도 비율 및 r-변수(반대전하 쌍의 초과 수)를 대체 기초로 사용하여 null 결과의 견고성을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 200 GeV에서 이소바르 충돌에서 켈러리스 마그네틱 효과가 측정 가능한 전하 의존성 상관관계를 유도하는가?
• RQ2 96Ru+96Ru 및 96Zr+96Zr 간의 다중도 및 유동 조화수 차이는 CME 민감 관측량의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 0.4%의 정밀도로 측정된 상대 관측량 크기의 정밀도는 진정된 CME 신호와 배경 효과를 구분하는 데 충분한가?
• RQ4 역다중도 비율 또는 r-변수와 같은 CME 관측량의 기초 기대값이 CME 유사 신호를 배제하는 데 충분한가?
• RQ5 비유동 기여 및 pT 의존성 효과는 이 분석에서 CME 신호의 해석에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 0.4%의 정밀도로 상대 관측량 크기를 측정하였음에도 불구하고, Ru+Ru 충돌에서 Zr+Zr 충돌 대비 CME 민감 관측량에서 유의미한 초과는 관측되지 않았다.
• ∆γ/v2 비율은 κ 및 k 비율보다 크기가 작았으며, 이는 다중도 의존성 기초 기대값과 일치했고, 1/σRΨ2 비율은 더 컸는데, 이는 pT 범위 및 비유동 효과에 민감함을 시사했다.
• Ru+Ru 및 Zr+Zr 간의 역폭넓이 비율 1/σRΨ2는 약 1.02로 추정되었으며, 이는 1/σRΨ2² ≈ NΔγ를 시사하는 스케일링 관계와 일치했다.
• 역다중도 비율 및 r-변수(반대전하 쌍의 초과 수)는 모두 기초로 사용되었지만, 어느 하나도 CME 신호를 드러내지 않아 null 결과를 더욱 강화시켰다.
• 5개의 독립된 분석 그룹이 일관된 결과를 도출하여 맹검 분석의 견고성과 null 관측의 신뢰성을 검증하였다.
• 이 연구는 어떤 CME 유사 신호가 존재하더라도 이 분석의 감도 한계 이하일 것이며, 200 GeV에서 이소바르 충돌의 CME 효과에 대해 엄격한 상한선을 설정한다고 결론을 내렸다.