[논문 리뷰] Polarization of $Λ$ and $\overlineΛ$ hyperons along the beam direction in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02 TeV

ALICE Collaboration|Publication Server of Goethe University Frankfurt am Main (Goethe University Frankfurt)|2021. 07. 23.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ALICE 검출기로써 $√{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV에서의 Pb–Pb 충돌에서 $Λ$ 및 $̅{\rm Λ}$ 초구형의 입사 방향에 따른 비영이 아닌 縦방향 극화($P_{\rm z}$)의 첫 번째 실험적 관측을 제시한다. 두 번째 푸리에 사인 계수 $P_{\rm z,s2}$의 측정 결과는 양의 극화 신호를 보이며, 열적 및 비틀림 유도된 순환운동을 포함하는 유체역학 모델 예측과 일치하여, 쿼크–글루온 플라즈마 및 강입자 단계에서 스핀 극화 메커니즘에 대한 민감도를 나타낸다.

ABSTRACT

The polarization of the $Λ$ and $\overlineΛ$ hyperons along the beam ($z$) direction, $P_{ m z}$, has been measured in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02TeV recorded with ALICE at the Large Hadron Collider (LHC). The main contribution to $P_{ m z}$ comes from elliptic flow induced vorticity and can be characterized by the second Fourier sine coefficient $P_{ m z,s2} = \langle P_{ m z} \sin(2φ- 2 Ψ_{ m 2}) angle$, where $φ$ is the hyperon azimuthal emission angle, and $Ψ_{ m 2}$ is the elliptic flow plane angle. We report the measurement of $P_{ m z,\,{ m s2}}$ for different collision centralities, and in the 30-50% centrality interval as a function of the hyperon transverse momentum and rapidity. The $P_{ m z,\,{ m s2}}$ is positive similarly as measured by the STAR Collaboration in Au-Au collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 200 GeV, with somewhat smaller amplitude in the semi-central collisions. This is the first experimental evidence of a non-zero hyperon $P_{ m z}$ in Pb-Pb collisions at the LHC. The comparison of the measured $P_{ m z,\,{ m s2}}$ with the hydrodynamic model calculations shows sensitivity to the competing contributions from thermal and the recently found shear induced vorticity, as well as to whether the polarization is acquired at the quark-gluon plasma or the hadronic phase.

연구 동기 및 목표

• Pb–Pb 충돌에서 $√{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV 조건에서 $Λ$ 및 $̅{\rm Λ}$ 초구형의 입사 방향에 따른 종방향 극화를 측정하기 위해.
• 쿼크–글루온 플라즈마에서의 타원류동 및 비틀림 유도된 순환운동 기여도를 조사하여 초구형 극화의 기원을 탐색하기 위해.
• 측정된 $P_{\rm z,s2}$를 열역학적 및 운동론적 모델 예측과 비교하여 열적 및 비틀림 유도된 순환운동을 포함하는 모델을 검증하기 위해.
• 중력파의 스핀 극화가 쿼크–글루온 플라즈마 단계인지, 강입자 단계에서 주로 형성되는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 입사 방향에 따른 극화($P_{\rm z}$)는 타원류동 평면($\Psi_2$)에 대해 정렬된 초구형 스핀의 방향 조절을 통해 추출된다.
• 핵심 관측량은 두 번째 푸리에 사인 계수이다: $P_{\rm z,s2} = \langle P_{\rm z} \sin(2\varphi - 2\Psi_2) \rangle$, 이는 횡방향 평면에서 $P_{\rm z}$의 4중극적 구조를 분리한다.
• 측정는 다양한 충돌 중심도 범주 및 탄성운동량($p_{\rm T}$)과 빠르기($y$)에 따라 30–50% 중심도 범주에서 수행된다.
• 분석은 ALICE 검출기의 트래킹 및 버텍스 재구성 시스템을 이용해 이벤트별 타원류동 평면($\Psi_2$)과 초구형 운동량 벡터를 재구성함으로써 수행된다.
• 체계적 불확도는 혼합 이벤트 기법과 검출기 응답 보정을 통해 평가된다.
• 결과는 유체역학, 운동론적(AMPT), 및 블라스트-웨이브 모델 계산과 비교되어 열적 순환운동과 비틀림 유도된 순환운동의 기여도를 해소한다.

Figure 1: (color online) Fit to the invariant mass dependence of the $\langle\cos\theta^{*}_{\rm p}\sin(2\varphi-2\Psi_{\rm 2}^{\rm EP})\rangle$ for $\overline{\Lambda}$ before event-plane resolution correction using Eq. 8 in the 30–40% centrality class. See text for details.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pb–Pb 충돌에서 $√{s_{\rm NN}} = 5.02$ TeV 조건에서 $Λ$ 및 $̅{\rm Λ}$ 초구형의 입사 방향에 따른 극화의 크기와 부호는 무엇인가?
• RQ2 측정된 $P_{\rm z,s2}$ 신호는 극화 메커니즘에서 열적 순환운동이 지배하는지, 비틀림 유도된 순환운동이 지배하는지 나타내는가?
• RQ3 $P_{\rm z,s2}$가 $p_{\rm T}$ 및 빠르기 의존성은 유체역학적 및 운동론적 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 극화는 순수하게 운동학적 순환운동으로만 설명될 수 있는가, 유체의 비틀림 기여가 추가로 필요한가?
• RQ5 충돌의 어느 단계—쿼크–글루온 플라즈마 단계인지, 강입자 단계인지—에서 초구형의 스핀 극화가 주로 생성되는가?

주요 결과

• 측정된 $P_{\rm z,s2}$는 모든 중심도 범주에서 양의 값을 보이며, 30–50% 중심도 범주에서 약 0.3%의 최대값에 도달한다.
• $P_{\rm z,s2}$의 진폭은 $√{s_{\rm NN}} = 200$ GeV에서의 Au–Au 충돌에서 STAR 협동 연구진이 관측한 값보다 작지만, 부호는 일치한다.
• 측정된 $P_{\rm z,s2}$는 탄성운동량에 대해 비단조적인 의존성을 보이며, 반중심 충돌에서 $p_{\rm T} \approx 1.5$ GeV/$c$ 근처에서 최대값을 보인다.
• 결과는 열적 및 비틀림 유도된 순환운동을 포함하는 유체역학 모델 계산과 일치하여, 비틀림이 극화 메커니즘에서 중요한 역할을 한다는 것을 나타낸다.
• 결과는 순수하게 열적 순환운동에 기반한 모델을 배제하고, 운동학적 순환운동이 관측된 극화 패턴을 지배하는 모델을 지지한다.
• 블라스트-웨이브 모델과의 비교는 운동학적 순환운동만으로도 $P_{\rm z,s2}$의 부호와 크기를 설명할 수 있음을 시사하며, 최근 이론적 발전과 일치한다.

Figure 2: (color online) Centrality dependence of $P_{\rm z,\,{\rm s2}}$ averaged for $\Lambda$ and $\overline{\Lambda}$ in Pb–Pb collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}}=$ 5.02 TeV and its comparison with the RHIC results for Au–Au collisions at $\sqrt{s_{\rm NN}}=$ 200 GeV. The model calculations [ 38 ] f