[논문 리뷰] Signatures of the spin Hall effect in hot and dense QCD matter

Baochi Fu, Long-Gang Pang외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 31.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 빔 에너지 스캔(BES) 에너지에서 열린 밀도 QCD 물질에서 중성미량 화학 포텐셜 기울기로 인해 유도되는 스핀 홀 효과(SHE)가 RHIC에서 관측 가능한 람다 하이퍼온의 스핀 분극을 유도한다고 제안한다. AMPT 초기 조건을 갖춘 (3+1)차원 점성 유체역학 모델을 사용하여, 순 스핀 분극의 제2 푸리에 계수인 $P_{2,z}^{ ext{net}}$ 및 $P_{2,y}^{ ext{net}}$ 는 SHE 유무에 따라 명백한 부호 및 에너지 의존성 차이를 보이며, 이는 SHE 탐지에 대한 고유한 실험적 서명을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• RHIC-BES 에너지에서 뜨겁고 밀도가 높은 QCD 물질 내에서 스핀 홀 효과(SHE)가 스핀 분극을 유도하는 역할를 조사한다.
• 스핀 분극 메커니즘 중 비틀림과 비틀림 유도 분극과 같은 다른 메커니즘과의 구별이 가능한 실험적으로 접근 가능한 관측 가능량을 규명한다.
• 중성미량 화학 포텐셜 기울기가 람다 및 반람다 하이퍼온의 미세 분극에 미치는 영향을 정량화한다.
• 순 스핀 분극의 제2 푸리에 계수가 중성자-핵 충돌에서 SHE를 탐지하는 민감한 탐지 수단임을 보여준다.

제안 방법

• 연구는 $\sqrt{s_{NN}} = 7.7$ GeV에서 중성자-핵 충돌 내 QCD 물질의 시공간 진화를 시뮬레이션하기 위해 AMPT 초기 조건을 사용하는 (3+1)차원 점성 유체역학 모델인 MUSIC을 활용한다.
• 스핀 운반체의 운동량인 $\bm{p}$ 와 중성미량 전하 $q_B$ 를 고려한 Wigner 함수 형식과 상대론적 운동론 이론을 사용하여 람다 및 반람다 하이퍼온의 스핀 분극을 계산한다. 이는 중성미량 화학 포텐셜 기울기의 영향을 받는 SHE 반응을 포함한다.
• SHE 유도 스핀 분극은 관계 $\bm{P} \propto -\bm{p} \times (q_B \nabla \mu_B)$ 를 통해 모델링되며, 여기서 $q_B$ 는 중성미량 전하이고 $\bm{p}$ 는 스핀 운반체의 운동량이다.
• 순 스핀 분극의 제2 푸리에 계수인 $P_{2,z}^{\text{net}}$ 와 $P_{2,y}^{\text{net}}$ 는 SHE 효과를 다른 메커니즘과 분리하기 위해 핵심 관측 가능량으로 추출된다.
• 모델은 비틀림, 비틀림 유도 분극(SIP), 온도 기울기 기여를 포함하며, SHE 기여는 이를 포함하거나 제외한 비교 시뮬레이션을 통해 고립된다.
• 초기 조건, 점성도, 체적 점성도, 중성미량 확산 및 상태 방정식의 민감도 분석을 수행하여 SHE 신호의 강건성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미량 화학 포텐셜 기울기로 인한 스핀 홀 효과가 RHIC-BES 에너지에서 람다 하이퍼온의 미세 스핀 분극에 측정 가능한 신호를 유도하는가?
• RQ2 SHE 유무에 따라 순 스핀 분극의 제2 조화의 부호 및 에너지 의존성이 어떻게 다를까?
• RQ3 낮은 빔 에너지에서 비틀림 및 비틀림 유도 분극과 같은 다른 알려진 스핀 분극 메커니즘과 비교해 볼 때, SHE 기여의 크기는 어느 정도인가?
• RQ4 순 스핀 분극의 제2 조화인 $P_{2,z}^{\text{net}}$ 와 $P_{2,y}^{\text{net}}$ 는 중성자-핵 충돌에서 SHE를 탐지하기 위한 강력하고 고립 가능한 탐지 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• SHE 기여는 $\sqrt{s_{NN}} = 7.7$ GeV에서 비틀림 및 비틀림 유도 분극 기여와 크기적으로 유사하다.
• 순 스핀 분극의 제2 푸리에 계수인 $P_{2,z}^{\text{net}}$ 와 $P_{2,y}^{\text{net}}$ 는 시뮬레이션에서 SHE를 포함하거나 제외할 때 부호 및 빔 에너지 의존성 측면에서 정성적으로 다른 양상을 보인다.
• $P_{y}^{\text{net}}$ 에 대한 SHE 기여의 부호는 중성미량 화학 포텐셜의 종방향 프로파일에 민감하며, 빔 에너지가 감소함에 따라 음성에서 양성으로 전환될 수 있다.
• 개별 성분인 $P_{z,y}$ 또는 $\overline{P}_{z,y}$ 와 비교해 순 스핀 분극은 화학 포텐셜 기울기 효과를 다른 메커니즘으로부터 고립하므로 SHE에 더 민감하다.
• 초기 중성미량 밀도, 유동 프로파일, 점성도, 체적 점성도, 중성미량 확산 및 상태 방정식의 변화 범위 내에서도 SHE 신호는 강건하게 유지된다.
• 모델 결과는 SHE 기여가 $P_{z}^{\text{net}}$ 에서 양성이며, SIP 및 T-기울기 기여와 크기적으로 유사하며, 저에너지에서 SIP와 같은 부호를 가진다.