[논문 리뷰] The search for magnetic-induced charged currents in Pb--Pb collisions with ALICE

Jacopo Margutti|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 17.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 ALICE에서 $√{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV에서의 Pb–Pb 충돌에서 포함된 충전 입자들의 허위속도-홀드irected flow ($v_1^\text{odd}$)의 첫 번째 측정을 제시한다. 시간에 따라 변하는 자기장에 기인한 예측된 전자기 효과—쿼크-글루온 플라즈마 내 자기장 유도 전류—를 시험하였으며, 전하에 의존하는 $v_1^\text{odd}$ 기울이 $1.68 \pm 0.49$ (통계) $\pm 0.41$ (시스템) $\times 10^{-4}$로 측정되었고, 2.6$\sigma$의 유의성 수준을 보였지만, 이론적 예측과 기울기의 부호와 크기에서 일치하지 않아, 이는 초기 시점의 자기장 효과에 대한 힌트를 제공하지만 이론 예측과의 불일치를 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비중앙 충돌에서 시간에 따라 변하는 자기장에 기인한 새로운 전자기 효과가 예측되는지 테스트하기 위해.
• 허위속도-홀드irected flow에서 순수하게 전자기 기여를 분리하고, 이 기여는 허위속도에서 기함수이며, 반대 전하에 대해 부호가 반대임을 확인하기 위해.
• 기본적인 QCD 효과(예: 케이릴 전자기 효과, CME)에 영향을 받지 않는 초기 자기장 강도와 수명의 캘리브레이션을 제공하기 위해.
• Quark-Gluon Plasma 내에서 유도된 전류의 존재를 탐색하기 위해 $√{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV에서 Pb–Pb 충돌에서 $v_1^\text{odd}$의 전하 의존성을 측정하기 위해.
• 관측된 신호가 CME나 기타 유체역학적 효과가 아닌 자기장의 영향으로 기인하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• ALICE 검출기에서 $√{s_{\text{NN}}}=5.02$ TeV에서의 Pb–Pb 충돌 데이터를 사용하였으며, 통합 루미노시티는 8 $\mu$b$^{-1}$이며, 5–40% 중심도 범위에서 약 2×10$^7$개의 사건을 선별하였다.
• ZDC-A 및 ZDC-C 중성자 칼로리미터에서의 에너지 손실을 이용해 관측자 평면을 재구성하였으며, 분할된 에너지 손실과 비선형 가중치($\alpha = 0.395$)를 사용하여 포화 효과를 보정하였다.
• 궤적 운동량, 허위속도, 그리고 원형 각도를 사용하여 스칼라 곱 방법을 통해 유동을 측정하였으며, 효율성과 수용 범위 보정을 입자별 가중치를 통해 적용하였다.
• 허위속도-홀드irected flow 성분을 $v_1^{\text{odd}} = \frac{1}{2}(v_1^{\text{ZDC-A}} - v_1^{\text{ZDC-C}})$로 정의하여 반응 평면에서의 비대칭성을 분리하였다.
• 전하 차이 $\Delta v_1^{\text{odd}} = v_1^{\text{odd+}} - v_1^{\text{odd-}}$를 선형 함수 $k \cdot \eta$로 피팅하여 전하 의존성 비대칭성을 정량화하였다.
• 체계적 보정을 적용하고 통계적 및 체계적 요인에 따른 오차를 별도로 보고하였으며, 유의성은 2.6$\sigma$로 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비중앙 Pb–Pb 충돌에서의 초기 자기장이 쿼크-글루온 플라즈마에 전하에 의존하는 전류를 유도하는가?
• RQ2 유도된 전자기 효과가 허위속도-홀드irected flow 성분을 생성하여 전하와 부호에 대해 비대칭이 되는가?
• RQ3 관측된 $v_1^{\text{odd}}$의 전하 의존성이 자기장에 의한 전류에 대한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ4 이 신호는 케이릴 전자기 효과 또는 기타 유체역학적 효과 기여에서 분리될 수 있는가?
• RQ5 이 측정은 고에너지 중이온 충돌에서 자기장 강도와 수명에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 허위속도에 대한 전하 차이의 기울이 $k = 1.68 \pm 0.49$ (통계) $\pm 0.41$ (시스템) $\times 10^{-4}$로 측정되었으며, 이는 전하에 의존하는 신호임을 나타낸다.
• 신호의 총 유의성은 2.6$\sigma$로, 방향 유동 성분 내에서 비영인 전하 비대칭성이 있음을 시사한다.
• 관측된 기울이의 크기와 부호는 $√{s_{\text{NN}}}=2.76$ TeV에서의 $π^{\pm}$에 대한 이론 예측과 비교해 최대 두 개의 지수 차이가 나며, 부호는 반대이다.
• $v_1^{\text{odd}}$의 기울이는 $√{s_{\text{NN}}}=2.76$에서 5.02 TeV로 증가함에 따라 1.3배 감소하였으며, 이는 고에너지에서 시스템의 회전 감소와 일치한다.
• 모든 중심도 범위에서 $|\eta| < 0.8$ 내에서 $v_1^{\text{odd}}$에 중심도 의존성이 유의미하게 관측되지 않아, 비교의 타당성을 뒷받침한다.
• 이론 예측과의 부호 및 크기의 불일치는, 이 신호가 자기장에 의한 전류에서 기인하는지 확인하기 위해 추가적인 이론적 및 실험적 연구가 필요하다는 것을 암시한다.