[논문 리뷰] Chiral drag force

Krishna Rajagopal, Andrey V. Sadofyev|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 27.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 강한 상호작용을 갖는 편재성 플라즈마에서 무거운 쿼크에 작용하는 새로운 편재성 드레그 힘을 제안한다. 이 힘은 축방형 이상성(axial anomaly)에 기인하며 플라즈마의 편재성 불균형에 비례한다. N=4 초대칭 양-밀스 이론에서 헬로그래픽 방법을 사용하여, 이 힘이 외부 자기장 또는 유체의 소용돌이와 평행하거나 반대 방향으로 작용하며, 무거운 쿼크의 전하에 관계없이 작용함을 보여주며, 특정 정지 기준계에서는 힘이 사라진다. 이는 비손실적 편재성 운반의 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

We provide a holographic evaluation of novel contributions to the drag force acting on a heavy quark moving through strongly interacting plasma. The new contributions are chiral in that they act in opposite directions in plasmas containing an excess of left- or right-handed quarks and in that they are proportional to the coefficient of the axial anomaly. These new contributions to the drag force act either parallel to or antiparallel to an external magnetic field or to the vorticity of the fluid plasma. In all these respects, these contributions to the drag force felt by a heavy quark are analogous to the chiral magnetic effect on light quarks. However, the new contribution to the drag force is independent of the electric charge of the heavy quark and is the same for heavy quarks and antiquarks. We show that although the chiral drag force can be non-vanishing for heavy quarks that are at rest in the local fluid rest frame, it does vanish for heavy quarks that are at rest in a suitably chosen frame. In this frame, the heavy quark at rest sees counterpropagating momentum and charge currents, both proportional to the axial anomaly coefficient, but feels no drag force. This provides strong concrete evidence for the absence of dissipation in chiral transport, something that has been predicted previously via consideration of symmetries. Along the way to our principal results, we provide a general calculation of the corrections to the drag force due to the presence of gradients in the flowing fluid in the presence of a nonzero chemical potential. We close with a consequence of our result that is at least in principle observable in heavy ion collisions, namely an anticorrelation between the direction of the CME current for light quarks in a given event and the direction of the kick given to the momentum of all the heavy quarks and antiquarks in that event.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용 편재성 플라즈마에서 무거운 쿼크의 드레그 힘에 대한 새로운 기여를 헬로그래픽 기법을 통해 조사하기 위해.
• 편재성 이상성(축방형 이상성)이 무거운 쿼크의 전하에 관계없이 작용하는 새로운 종류의 드레그 힘을 유도하는지 확인하기 위해.
• 편재성 운반의 소산 특성을 분석함으로써, 특정 기준계에서 편재성 드레그 힘이 사라지는지 여부를 조사하기 위해.
• 편재성 드레그 힘과 편재성 자석/소용돌이 효과 사이의 연관성을 탐색하여, 무거운 쿼크 역학에서 각각의 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 큰 Nc에서 N=4 초대칭 양-밀스 이론의 게이지-중력 dual을 활용하여 유한한 화학적 포텐셜을 갖는 강한 상호작용 플라즈마를 모델링하기 위해.
• 이중 중력적 배경에 플라즈마의 유체 기울기와 편재성 편향을 갖는 편재성 페르미온(좌/우 편재성 쿼크)의 화학적 포텐셜을 포함하기 위해.
• 축방형 이상성과 그 수체역학적 결과를 기록하기 위해 헬로그래픽 작용에 치르-시몬스 항을 도입하기 위해.
• 편재성 드레그 힘을 추출하기 위해 곡면 시공간 내에서 끈의 월드시트 매핑을 계산하기 위해 Nambu-Goto 작용을 사용하기 위해.
• μ/T 및 유체 기울기의 펌프트레이션 전개를 수행하여 드레그 힘의 편재성 보정을 분리하기 위해.
• 무거운 쿼크가 정지해 있는 기준계에서 힘을 분석하고, 반대 방향으로 흐르는 운동량과 전하 흐름이 상쇄되어 드레그 힘이 사라짐을 보여주며, 이는 소산이 없는 운반을 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방형 이상성이 무거운 쿼크의 전하에 관계없이 작용하는 새로운 편재성 드레그 힘을 유도할 수 있는가?
• RQ2 이 편재성 드레그 힘이 무거운 쿼크가 정지해 있는 기준계에서 사라지는가? 이는 비손실적 운반을 의미하는가?
• RQ3 편재성 드레그 힘은 크기와 방향성 측면에서 편재성 자석 효과(CME)와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 유체 기울기와 화학적 포텐셜은 표준 수체역학 보정 외에 드레그 힘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이벤트 간 상관관계를 통해 편재성 드레그 힘을 고에너지 충돌 실험에서 관측할 수 있는가?

주요 결과

• 축방형 이상성에 의해 편재성 플라즈마에서 새로운 편재성 드레그 힘이 발생하며, 이 힘은 외부 자기장 또는 유체의 소용돌이와 평행하거나 반대 방향으로 작용한다.
• 편재성 드레그 힘은 무거운 쿼크의 전하에 관계없이 작용하며, 쿼크와 반쿼크 모두에 동일하게 영향을 미친다. 이는 CME 전류와 구별된다.
• 무거운 쿼크가 정지해 있는 적절한 관성 기준계에서 드레그 힘이 사라지며, 반대 방향으로 흐르는 운동량과 전하 흐름이 상쇄된다.
• 이 힘이 사라지는 것은 편재성 운반에서 소산이 없음을 직접적으로 증명하며, 대칭성 기반 예측을 확인한다.
• 편재성 드레그 힘은 바텀 쿼크에게 최대 약 ~3 MeV, 채움 쿼크에게 약 ~1 MeV의 운동량 킥을 줄 수 있으나, 이는 과대평가일 가능성이 있다.
• 이벤트 간 상관관계를 측정할 수 있는 관측 가능성을 제안하며, 이는 CME 전류 방향과 해당 이벤트에서 모든 무거운 쿼크와 반쿼크에 작용하는 순 운동량 킥 사이의 반상관관계를 나타낸다.