[논문 리뷰] Global quark polarization in non-central $A+A$ collisions

Jian-Hua Gao, Shou-Wan Chen외 4명|ArXiv.org|2007. 10. 16.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비중앙 A+A 충돌에서 국소 종방향 유체 기울기로 인한 스핀-오비탈 결합에 의해 발생하는 글로벌 쿼크 스핀 균형을 연구한다. 힘겨운 열역학적 루프(HTL)로 재정렬된 양성자 전파함수를 사용한 양자 chromodynamics(QCD)의 섭동 이론을 통해 소각도 근사 이론을 넘어서 쿼크 스핀 균형을 계산한다. RHIC에서의 반중앙 충돌인 Au+Au에서 약한 유체 기울기로 인해 작은 순 쿼크 스핀 균형 |Pq| < 0.04를 관측하며, 중심 질량 에너지가 자석 질량 척도와 일치할 때 약 −0.24의 피크를 보인다.

ABSTRACT

Partons produced in the early stage of non-central heavy-ion collisions can develop a longitudinal fluid shear because of unequal local number densities of participant target and projectile nucleons. Under such fluid shear, local parton pairs with non-vanishing impact parameter have finite local relative orbital angular momentum along the direction opposite to the reaction plane. Such finite relative orbital angular momentum among locally interacting quark pairs can lead to global quark polarization along the same direction due to spin-orbital coupling. Local longitudinal fluid shear is estimated within both Landau fireball and Bjorken scaling model of initial parton production. Quark polarization through quark-quark scatterings with the exchange of a thermal gluon is calculated beyond small-angle scattering approximation in a quark-gluon plasma. The polarization is shown to have a non-monotonic dependence on the local relative orbital angular momentum dictated by the interplay between electric and magnetic interaction. It peaks at a value of relative orbital angular momentum which scales with the magnetic mass of the exchanged gluons. With the estimated small longitudinal fluid shear in semi-peripheral $Au+Au$ collisions at the RHIC energy, the final quark polarization is found to be small $|P_q|&lt;0.04$ in the weak coupling limit. Possible behavior of the quark polarization in the strong coupling limit and implications on the experimental detection of such global quark polarization at RHIC and LHC are also discussed.

연구 동기 및 목표

• 소각도 산산각 근사 이론을 넘어서 비중앙 중이온 충돌에서 글로벌 쿼크 스핀 균형을 더 현실적으로 추정하기 위해.
• 쿼크-글루온 플라즈마에서 스핀-오비탈 결합을 통해 국소 종방향 유체 기울기가 쿼크 스핀 균형을 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• 열적 글루온이 매개하는 쿼크-쿼크 산산각에서 전기적 및 자석 상호작용의 상대 기여를 검토하기 위해.
• RHIC 및 LHC에서 초원자핵 충돌 실험에서 글로벌 쿼크 스핀 균형을 초원자핵 충돌 관측량(예: 하이퍼온 스핀 균형 또는 벡터 메손의 스핀 정렬)을 통해 실험적으로 탐지할 수 있는지 평가하기 위해.
• 초기 상태 파artin 생성의 Landau 불꽃불 모형과 Bjorken 스케일링 모형에서의 유체 기울기 추정치와 그로 인한 스핀 균형을 비교하기 위해.

제안 방법

• 하드-스피어 및 Woods-Saxon 핵 구조를 사용한 Landau 불꽃불 모형을 적용하여 동반하는 참조 프레임에서 국소 종방향 유체 기울기를 추정한다.
• HIJING 몬테카를로 시뮬레이터를 사용한 Bjorken 스케일링 모형을 적용하여 RHIC 에너지에서의 횡방향 기울기를 빠르기 분포에 대해 추정한다.
• 국소 동반 참조 프레임에서 하드-열역학적 루프(HTL)로 재정렬된 양성자 전파함수를 사용하여 소각도 근사 이론을 넘어서 쿼크-쿼크 산산각을 계산한다.
• 전기적 및 자석 상호작용 성분을 모두 포함한 일개 글루온 교환을 통한 스핀-오비탈 결합을 통해 쿼크 스핀 균형을 계산한다.
• 상대 운동량과 중심 질량 에너지의 함수로 순 스핀 균형을 평가하며, 전기적 및 자석 항 간의 간섭으로 인해 비단조적 의존성이 있음을 확인한다.
• RHIC에서의 약한 결합 근사(αs ≈ 0.3)와 LHC 에너지(5.5 TeV)로의 스케일링을 평가하며, 더 높은 입자 수와 증폭된 유체 기울기를 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비중앙 A+A 충돌에서 국소 종방향 유체 기울기로 인해 유도되는 글로벌 쿼크 스핀 균형의 크기와 방향은 무엇인가요?
• RQ2 유한각 산산각과 HTL로 재정렬된 양성자 전파함수를 포함할 경우, 소각도 근사 이론과 비교해 쿼크 스핀 균형 추정치는 어떻게 변화하는가요?
• RQ3 쿼크-쿼크 산산각에서 전기적 상호작용과 자석 상호작용의 상대 기여는 순 쿼크 스핀 균형에 어떤 영향을 미치는가요?
• RQ4 쿼크 쌍의 국소 상대 궤도 운동량과 중심 질량 에너지에 따라 스핀 균형은 어떻게 의존하는가요?
• RQ5 RHIC 및 LHC에서 글로벌 쿼크 스핀 균형을 실험적으로 탐지할 수 있는 잠재적 의미는 무엇이며, 특히 큰 빠르기 영역에서 어떻게 적용되는가요?

주요 결과

• 약한 결합 근사에서 RHIC 에너지의 반중앙 Au+Au 충돌에서 약한 종방향 유체 기울기로 인해 글로벌 쿼크 스핀 균형은 매우 작으며 |Pq| < 0.04이다.
• 쿼크 스핀 균형은 상대 궤도 운동량에 따라 비단조적 의존성을 보이며, 중심 질량 에너지 √s ≈ 4μm일 때 Pq ≈ −0.24의 피크를 보인다. 여기서 μm은 교환되는 글루온의 자석 질량이다.
• 저에너지 영역에서 자석 상호작용이 우세하여 전기 상호작용을 상쇄시키며, 특히 약한 결합 영역에서 순 음성 스핀 균형을 감소시킨다.
• Landau 불꽃불 모형에서는 유체 기울기 하에서 쿼크 쌍의 평균 중심 질량 에너지는 √s ≈ 0.17 GeV로 추정되며, Bjorken 모형에서는 √s ≈ 0.001 GeV이다. 둘 다 피크 스핀 균형 에너지 척도 이하이다.
• LHC 에너지(5.5 TeV)에서는 평균 종방향 유체 기울기와 중심 질량 에너지가 RHIC보다 약 6배 더 크다고 예상되며, 이는 더 큰 순 쿼크 스핀 균형을 유도할 수 있음을 시사한다.
• 국소 궤도 운동량이 0에 수렴할 경우 스핀-오비탈 결합이 존재하지 않기 때문에 스핀 균형은 0이 된다. 이는 기대되는 바와 일치한다.