[论文解读] Chiral vortical effect in pionic superfluid vs spin alignment of baryons

Oleg Teryaev, V.I. Zakharov|arXiv (Cornell University)|May 3, 2017

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 9被引用 4

一句话总结

该论文提出，在具有同位旋化学势的π介子超流体模型中，手征子涡流效应（CVE）——沿旋转轴的轴向电流——通过虚费米子的自旋对齐而物理实现。超流体中的涡旋作为核心区域，使费米子自旋极化得以产生，而这些虚费米子的平均自旋再现了CVE电流，展示了在束缚相中费米子极化的机制。

ABSTRACT

We consider chiral fluids, with (nearly) massless fermionic constituents, in the confining phase. Chiral vortical effect (CVE) is the flow of axial current along the axis of rotation of the fluid while the spin alignment is a non-vanishing correlation of polarizations of baryons with the axis of rotation. As the theoretical framework we use the model of pionic superfluidity induced by a non-vanishing isotopic chemical potential. We note that the average value of spin of virtual baryons reproduces the CVE. The role of defects, or vortices is crucial. The model does not apply directly to the quark-gluon plasma but might indicate existence of a mechanism to produce baryons with relatively large polarization in heavy-ion collisions.

研究动机与目标

• 研究手征子涡流效应（CVE）在QCD束缚相，特别是π介子超流体中的实现方式。
• 理解在重离子碰撞中观测到的超子极化的起源，特别是Λ超子自旋与流体涡度的对齐。
• 探讨CVE是否可通过无显式费米子的模型中虚费米子的自旋极化而实现。
• 阐明涡旋和通过费米子实现的紫外正则化在低能有效理论中维持CVE的作用。

提出的方法

• 使用同位旋化学势（μ₃）非零诱导的π介子超流体模型，破缺同位旋对称性。
• 应用流体动力学近似，推导出手征子涡流效应（CVE）的形式 jₐᵘ = (μ² + μ₅²)/(2π²) ωᵘ，其中 ωᵘ 为涡度。
• 引入虚费米子作为紫外正则化器，以正则化π场在涡旋核心处的奇异性。
• 通过关系式 <σ_z> ≈ <μ²ω_z> 将CVE中的轴向电流与费米子的平均自旋极化联系起来。
• 使用Goldstone-Wilczek电流形式，将费米子轴向电流与三角异常及量子数关联。
• 分析涡旋结构：轻量π介子在核心周围循环，而核心由费米子自旋极化稳定，类似于Callan-Harvey涡旋，但核心结构相反。

实验结果

研究问题

• RQ1 手征子涡流效应（CVE）是否可在无显式夸克或费米子自由度的束缚相（如π介子超流体）中实现？
• RQ2 π介子超流体中的涡旋如何介导流体旋转与费米子自旋极化之间的联系？
• RQ3 在该介质中，CVE的轴向电流在多大程度上可由虚费米子的平均自旋再现？
• RQ4 费米子在超流π系统中CVE的流体动力学描述的紫外正则化中起什么作用？
• RQ5 π介子超流体中自旋对齐机制是否与重离子碰撞中观测到的Λ超子极化相关？

主要发现

• 在π介子超流体模型中，虚费米子的平均自旋极化再现了手征子涡流效应（CVE）电流，满足 <σ_z> ≈ <μ²ω_z>。
• 涡旋至关重要：它们提供了费米子自旋极化局域化的核心区域，从而正则化了π场的奇异性。
• 该模型表明，即使没有显式费米子，CVE也只有在引入费米子作为辐射修正的紫外截断时才会出现。
• 与CVE相关的轴向电流通过异常匹配条件与费米子流联系起来，表达式为 (j_B⁵)ₐ = N_c/(36π²f_π²) εₐᵦᵧδ (∂ᵦπ⁰)(∂ᵞ∂ᵦπ⁰)。
• 该机制为重离子碰撞中超子极化提供了定性解释：流体涡度通过涡旋介导的费米子极化导致自旋对齐。
• 该模型不直接适用于夸克-胶子等离子体，但提出了在束缚相中通过涡旋核心自旋对齐实现费米子极化的可行机制。