[논문 리뷰] Implications of the isobar run results for chiral magnetic effect in heavy ion collisions

Dmitri E. Kharzeev, Jinfeng Liao외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 30.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중이온 충돌에서 STAR 협동작업의 이소바르 런 결과를 재평가하여 켈리스터리스 자기 효과(CME)의 존재를 평가한다. 관측된 루루(RuRu)와 지르지움즈르(ZrZr) 시스템 간의 하드론 다중도 및 집합적 흐름의 차이를 고려한 후, 유한한 CME 신호 기여도 (6.8 ± 2.6)%가 데이터와 일치함을 보여주며, 초기 망각 분석에서 나타난 상충되는 결과를 해결한다.

ABSTRACT

Chiral magnetic effect (CME) is a macroscopic transport phenomenon induced by quantum anomaly in the presence of chiral imbalance and an external magnetic field. Relativistic heavy ion collisions provide the unique opportunity to look for CME in a non-Abelian plasma, where the chiral imbalance is created by topological transitions similar to those occurring in the Early Universe. The isobar run at Relativistic Heavy Ion Collider was proposed as a way to separate the possible CME signal driven by magnetic field from the background. The first blind analysis results from this important experiment have been recently released by the STAR Collaboration. Under the pre-defined assumption of identical background in RuRu and ZrZr, the results are inconsistent with the presence of CME, as well as with all existing theoretical models (whether including CME or not). However the observed difference of backgrounds must be taken into account before any physical conclusion is drawn. In this paper, we show that once the observed difference in hadron multiplicity and collective flow are quantitatively taken into account, the STAR results could be consistent with a finite CME signal contribution of about $(6.8\pm2.6)\%$.

연구 동기 및 목표

• 루루(RuRu) 시스템에서 더 강한 자기장으로 더 큰 신호가 기대됨에도 불구하고, 초기 망각 분석에서 CME 신호가 없음을 시사한 STAR 협동작업의 이소바르 런 결과 간의 명백한 모순을 해결하기 위함.
• 루루와 지르지움즈르(ZrZr) 충돌 간 관측된 하드론 다중도 및 집합적 흐름(v₂)의 차이가 CME 관측치의 해석에 미치는 영향을 정량화하기 위함.
• 배경을 다중도에 반비례하는 것으로 모델링하고, 측정된 상관관계 비율 및 자기장 투영치를 통합하여 CME 신호 비율을 재평가하기 위함.
• 관측된 상관관계 비율과 비영인 CME 신호를 일관된 물리적 해석으로 연결하여, 동일한 배경을 가정한 잘못된 가정을 수정함으로써 데이터에 대한 일관된 해석을 제공하기 위함.

제안 방법

• 저자들은 CME 유도 신호 비율을 계산하기 위해, 자기장 제곱의 투영 비율(R_B = 1.17 ± 0.05)과 타원류 흐름 비율(R_v₂ = 1.0151)의 비율을 사용하여, 신호 비율 매개변수 λ_s = 0.15 ± 0.05를 도출한다.
• 비-CME 배경 비율 λ_b 는 STAR의 다중도 분포 데이터에서 평균 역수 다중도 ⟨1/N⟩을 계산하여 추정한다. ⟨1/N⟩_Ru = 0.01260 및 ⟨1/N⟩_Zr = 0.01328 를 얻어 λ_b = 0.05084 를 산출한다.
• 측정된 상관관계 비율 R = Δγ_Ru / Δγ_Zr 는 표 1에서 추출하여, 20–50% 중심도 범주에서 R = 0.9641 ± 0.0037 이다.
• 선형 초위상 모델을 사용하여, f_s = (R - λ_b) / (λ_s - λ_b) 를 통해 신호 비율 f_s 를 계산하여, f_s = (6.8 ± 2.6)% 를 도출한다.
• 민감도 분석을 위해 다양한 분석 그룹(Group-1, Group-2, Group-3)의 R 값 극단치를 사용하여, f_s = (5.2 ± 4.0)% 에서 (11.7 ± 3.6)% 까지의 범위를 얻는다.
• 다중도 스케일링에 대한 잠재적 비유동 보정을 고려하여 분석을 수행하며, λ_b 에 ±0.01 의 불확도가 존재할 경우 f_s 에 상당한 영향을 줄 수 있음을 인정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 루루와 지르지움즈르 충돌 간 CME 관측치 비율이 비영인 CME 신호와 일치하는가, 아니면 배경의 차이로 인한 명백한 억제인가?
• RQ2 루루와 지르지움즈르 간 하드론 다중도 및 집합적 흐름의 차이가 CME 탐색에서 동일한 배경을 가정한 초기 가정을 얼마나 심각하게 무너뜨리는가?
• RQ3 관측된 배경 변동을 보정한 후, 측정된 상관관계 비율에 대한 CME 신호 기여도는 정량적으로 얼마인가?
• RQ4 다중도 스케일링 및 배경 모델의 비유동 효과에 대한 불확도에 따라 추출된 CME 신호 비율은 얼마나 민감한가?
• RQ5 배경을 적절히 고려할 경우, STAR 이소바르 런 데이터는 CME 이론 예측과 일치시킬 수 있는가?

주요 결과

• 하드론 다중도 및 집합적 흐름의 차이를 보정한 후, STAR 이소바르 런 데이터는 (6.8 ± 2.6)% 의 유한한 CME 기여도와 일치함을 보였다.
• CME 유도 신호 비율 매개변수는 R_B = 1.17 ± 0.05 (자기장 제곱의 투영 비율) 와 R_v₂ = 1.0151 (타원류 흐름 비율) 의 비율을 바탕으로 λ_s = 0.15 ± 0.05 로 추정되었다.
• 비-CME 배경 비율은 ⟨1/N⟩_Ru = 0.01260 과 ⟨1/N⟩_Zr = 0.01328 을 사용하여 ⟨1/N⟩ 을 통한 평균 역수 다중도로 산출한 결과, λ_b = 0.05084 로 추정되었다.
• 측정된 상관관계 비율 R = Δγ_Ru / Δγ_Zr 는 0.9641 ± 0.0037 로 도출되었으며, 이는 CME 부재가 아니라 배경 효과로 인해 1보다 작다.
• 민감도 분석 결과, 분석 그룹의 R 측정치에 따라 신호 비율은 (5.2 ± 4.0)% 에서 (11.7 ± 3.6)% 까지 변동함을 확인하였다.
• 본 연구는 初기 CME 신호 없음 결론이 동일한 배경을 가정한 잘못된 가정으로 인해 무너졌음을 강조하며, 관측된 다중도 및 흐름의 차이와 부합하지 않는다.