[论文解读] Search for the Chiral Magnetic Effect with Isobar Collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 200 GeV by the STAR Collaboration at RHIC

STAR Collaboration, B. E. Aboona+396 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 9

一句话总结

本论文由STAR合作组对√sNN = 200 GeV下的双生核素96Ru+96Ru与96Zr+96Zr碰撞进行盲分析，旨在搜寻手征磁效应（CME）。通过精确的电荷依赖相关性的微分测量，该研究在比较两种体系的可观测量时实现了0.4%的精度，未发现显著的CME信号，从而对重离子碰撞中CME类效应设定了严格的上限。

ABSTRACT

The chiral magnetic effect (CME) is predicted to occur as a consequence of a local violation of $\cal P$ and $\cal CP$ symmetries of the strong interaction amidst a strong electro-magnetic field generated in relativistic heavy-ion collisions. Experimental manifestation of the CME involves a separation of positively and negatively charged hadrons along the direction of the magnetic field. Previous measurements of the CME-sensitive charge-separation observables remain inconclusive because of large background contributions. In order to better control the influence of signal and backgrounds, the STAR Collaboration performed a blind analysis of a large data sample of approximately 3.8 billion isobar collisions of $^{96}_{44}$Ru+$^{96}_{44}$Ru and $^{96}_{40}$Zr+$^{96}_{40}$Zr at $\sqrt{s_{ m NN}}=200$ GeV. Prior to the blind analysis, the CME signatures are predefined as a significant excess of the CME-sensitive observables in Ru+Ru collisions over those in Zr+Zr collisions, owing to a larger magnetic field in the former. A precision down to 0.4% is achieved, as anticipated, in the relative magnitudes of the pertinent observables between the two isobar systems. Observed differences in the multiplicity and flow harmonics at the matching centrality indicate that the magnitude of the CME background is different between the two species. No CME signature that satisfies the predefined criteria has been observed in isobar collisions in this blind analysis.

研究动机与目标

• 通过具有相同碰撞能量但初始态磁场不同的双生核素体系，检验重离子碰撞中手征磁效应（CME）的存在性。
• 通过比较96Ru+96Ru与96Zr+96Zr碰撞中的可观测量，减少背景贡献，二者在电荷和中子数上不同，但具有相似的多重性和几何结构。
• 通过考虑两种双生核素体系间多重性和流谐波的差异，建立CME敏感可观测量的稳健基线。
• 采用预设标准的盲分析流程，避免偏倚，确保在搜寻CME信号过程中具备统计严谨性。
• 通过高精度（0.4%）测量电荷依赖相关性的相对大小，对CME类信号设定严格限制。

提出的方法

• 利用√sNN = 200 GeV下的双生核素碰撞（96Ru+96Ru与96Zr+96Zr），通过初始磁场差异隔离CME信号，同时最小化几何与多重性差异。
• 采用盲分析协议，结果评估过程中不掌握实际结果，确保在搜寻CME信号时的客观性。
• 使用∆γ/v2、κ、k以及R变量的逆宽度（1/σRΨ2）作为CME敏感探针，测量电荷依赖相关性。
• 对基线期望值应用多重性和流谐波修正，利用先前研究（如Choudhury等，2021年）的标度关系，模拟非流效应与多重性依赖性。
• 以0.4%的精度比较Ru+Ru与Zr+Zr体系中CME敏感可观测量的相对大小，以检测是否存在过量信号。
• 采用逆多重性比与r变量（反号对的过量）作为替代基线，评估零结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 手征磁效应是否在√sNN = 200 GeV的双生核素碰撞中产生可测量的电荷依赖相关性？
• RQ2 96Ru+96Ru与96Zr+96Zr之间多重性与流谐波的差异，如何影响CME敏感可观测量的解释？
• RQ3 在相对可观测量大小的测量中，0.4%的精度是否足以将真实的CME信号与背景效应区分开来？
• RQ4 CME可观测量的基线期望值（如逆多重性比或r变量）是否足以排除CME类信号？
• RQ5 非流贡献与pT依赖效应在本分析中对CME信号解释的影响程度如何？

主要发现

• 尽管相对可观测量大小的测量精度达到0.4%，在Ru+Ru碰撞中未观测到CME敏感可观测量的显著过量，相对于Zr+Zr碰撞。
• ∆γ/v2比值的幅度小于κ与k比值，与其中多重性依赖的基线一致；而1/σRΨ2比值更大，表明其对pT范围与非流效应敏感。
• Ru+Ru与Zr+Zr之间1/σRΨ2的逆宽度比值估计约为1.02，与标度关系一致，提示1/σRΨ2² ≈ NΔγ。
• 逆多重性比与r变量（反号对的过量）均被用作基线进行测试，但均未产生CME信号，进一步支持零结果的可靠性。
• 五个独立分析组的结果保持一致，验证了盲分析的稳健性与零观测结果的可靠性。
• 本研究结论认为，若存在CME类信号，其强度必须低于本分析的探测灵敏度阈值，从而为200 GeV下双生核素碰撞中的CME效应设定了严格的上限。