[논문 리뷰] Macroscopic Chirality Fluctuations in Heavy Ion Collisions should induce CP forbidden Decays

R. Millo, Edward Shuryak|ArXiv.org|2009. 12. 24.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

논문은 고에너지 이온 충돌에서 매크로스코픽한 편향성 불안정성(fluctuations)이 비제로 θ(x)를 가진 CP-홀드 도메인을 생성하며, 이로 인해 관측 가능한 CP-금지 붕괴인 η → π⁺π⁻가 발생할 수 있다고 제안한다. 이러한 붕괴는 허용 붕괴보다 수십 개의 차수만큼 높은 비율로 발생할 것으로 예측되며, η 메손의 약 ~0.1%가 이 방식으로 붕괴될 것으로 보이며, 이는 기존 RHIC 데이터에서 해상도가 충분할 경우 관측 가능하다.

ABSTRACT

f large fluctuations of quark chirality occur in heavy ion collisions, they result in macroscopic CP-odd "spots" of the so called theta-vacua, with a non-zero $θ(x)$. We consider particular decays of mesons, CP-forbidden in the vacuum with zero $θ$, like $η o ππ$. We evaluate their rates for such decays near hadronic freezeout. These rates, as well as charge asymmetries already observed, are proportional to square of the CP-violating parameter $$ averaged over the fireball and events. With such input, we found that the forbidden decay rates are likely to be orders of magnitude larger than CP-allowed ones. We further estimated that up to about one per mill of $η$ mesons produced in heavy ion collisions should decay in this way. We further discuss how those can be observed. We argue using STAR data on charge asymmetries for AuAu and CuCu collisions that the size of CP-odd spots at freezeout is as large as Cu nuclei: this fortunate fact (not explained so far by itself) suggests that the two-pion invariant mass is modified by only about a percent, which is comparable to experimental resolution. If so, we think experimental observation of these decays is within the reach of current dataset. If those decays are found, it would confirm that CP-odd interpretation of charge asyymetry is correct, even without complication related to geometry, impact parameter or magnetic field induced on the fireball.

연구 동기 및 목표

• 쿼크-글루온 플라즈마에서 매크로스코픽한 CP-홀드 불안정성이 η 및 η′과 같은 메손의 CP-금지 붕괴를 유도할 수 있는지 조사하기.
• CP-위반 매개변수 ⟨θ²⟩의 제곱 평균을 기반으로 이러한 붕괴의 분해비를 추정하기.
• STAR 데이터에서 관측된 전하 비대칭성의 CP-홀드 해석을 직접 실험적으로 검증할 수 있는 방법을 제공하며, 자석장이나 기하학적 효과와는 독립적으로 수행하기.
• 현재 실험 통계량과 해상도 조건 하에서 이러한 붕괴를 관측할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 냉각 시점의 화염구를 비제로 θ(x)를 가진 국소적 CP-홀드 영역들이 포함된 것으로 모델링하며, 이는 初기 편향성 불안정성이 확산되고 융합됨으로써 유도된다.
• chiral Lagrangian을 사용하여 θ(x)와 메손 간의 결합을 기술하며, η → π⁺π⁻와 같은 CP-금지 과정의 붕괴 진폭을 포함한다.
• 붕괴 비율을 ⟨θ²⟩ 비례로 추정하며, 비율은 화염구 전체와 이벤트 전체에 걸쳐 평균화된 CP-위반 매개변수의 제곱에 비례한다.
• STAR 데이터의 전하 상관관계(R(+-/++)) 분석을 통해 화염구 대비 CP-홀드 영역의 크기를 추정하며, 트리거 편향을 이용해 관측된 비대칭성을 설명한다.
• η 붕괴에서 유래한 π⁺π⁻ 쌍의 진동 질량 분포를 무작위 쌍의 통계적 배경과 비교하며, 신호의 고유한 운동량 구조를 활용한다.
• 기존 RHIC 데이터를 활용해 가시성을 평가하며, 실험적 해상도가 신호를 배경에서 구분할 수 있을 정도로 충분하다는 가정 하에 진행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 시점의 쿼크-글루온 플라즈마에서 매크로스코픽한 CP-홀드 불안정성이 η → π⁺π⁻와 같은 메손의 관측 가능한 CP-금지 붕괴를 유도할 수 있는가?
• RQ2 η → π⁺π⁻와 같은 CP-금지 붕괴의 기대 분해비는 얼마이며, 현재 데이터로 관측 가능할 정도로 충분히 큰가?
• RQ3 STAR 전하 상관관계 데이터로부터 유추된 CP-홀드 영역의 크기는 화염구 기하학과 실험적 해상도와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 CP-금지 붕괴의 관측이 자석장이나 기하학적 효과와는 독립적으로 ⟨θ²⟩를 직접 측정할 수 있는가?
• RQ5 CP-홀드 효과로 인한 두 파이온 시스템의 진동 질량 이동이 실험적 해상도와 비교하여 유의미한지, 관측이 가능한가?

주요 결과

• η → π⁺π⁻와 같은 CP-금지 붕괴의 비율은 해당하는 CP-허용 3메손 붕괴보다 수십 개의 차수만큼 더 높게 예측된다.
• 고에너지 이온 충돌에서 생성된 η 메손 중 약 0.1%가 CP-금지 η → π⁺π⁻ 경로로 붕괴될 것으로 예측된다.
• STAR 데이터에 따르면 CuCu 충돌에서 R(+-/++) ≈ 1을 보이며, 이에 기반해 냉각 시점의 CP-홀드 영역 크기를 ⁶³Cu 핵보다 유사한 크기로 추정한다.
• 두 파이온의 진동 질량은 약 1% 정도만 변화하며, 이는 현재의 검출기 해상도 내에 들어가 있어 관측이 가능하다.
• 냉각 온도 T_f ≈ 170 MeV에서의 높은 운동량을 가진 π 중입자로 인해, η′ → π⁺π⁻ 붕괴의 신호 대 배경 비율이 더 높을 수 있다.
• 이러한 붕괴의 관측은 자석장이나 기하학적 모델에 의존하지 않고도 전하 비대칭성의 CP-홀드 기원을 직접이고 독립적으로 확인할 수 있게 해준다.