[论文解读] Electromagnetic anomaly in the presence of electric and chiral magnetic conductivities in relativistic heavy-ion collisions

Irfan Siddique, Shanshan Cao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 57被引用 7

一句话总结

本研究探讨了在 √sNN = 200 GeV 的相对论性重离子碰撞中，电磁场的时空演化以及 E·B 异常，同时考虑了电导率（σ）和手征磁导率（σχ）。研究结果表明，导率会抑制场的衰减，并相对于反应平面打破电磁对称性，显著改变 E·B 的偶极结构，诱导出电四极矩，这可能影响强子椭圆流中的电荷分离。

ABSTRACT

We study the spacetime evolution of electric $( extbf{E})$ and magnetic $( extbf{B})$ fields along with the electromagnetic anomaly $( extbf{E}\cdot extbf{B})$ in the presence of electric ($\sigma$) and chiral magnetic ($\sigma_{\chi}$) conductivities in Au+Au collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}=200$~GeV. By comparing to the Lienard-Wiechert solutions with zero conductivities, we observe a symmetry breaking of the electromagnetic field in a conducting medium with respect to the reaction plane. The decay of the field is also significantly decelerated after the conductivities are introduced. Similar effects are also found for the dipole structure of $ extbf{E}\cdot extbf{B}$ as well as the quadrupole structure of $( extbf{E}\cdot extbf{B}) extbf{B}$, which may finally affect the charge separation of the elliptic flow coefficient of hadrons observed in high-energy nuclear collisions.

研究动机与目标

• 研究电导率与手征磁导率对 Au+Au 碰撞中电磁场演化的影响，能量中心系为 √sNN = 200 GeV。
• 探究导率如何改变电磁异常（E·B）的空间分布与时间演化。
• 探讨在导电夸克胶子等离子体中，由于 E·B 与磁场的耦合，电四极结构的形成机制。
• 评估这些效应对于强子椭圆流（v2）中电荷分离的影响。
• 将结果与真空中 Lienard-Wiechert 解进行比较，突出介质导率的作用。

提出的方法

• 使用 Lienard-Wiechert 势在非导电介质（σ = σχ = 0）中建模电磁场。
• 在柱坐标系中应用包含介质导率 σ 与 σχ 的麦克斯韦方程组，推导出 E 与 B 场的解析解。
• 结合蒙特卡罗 Glauber 模型，模拟 Au+Au 碰撞中随机核子位置与源电荷分布。
• 利用格林函数方法求解电磁场方程，得到 Bφ、Br、Bz、Eφ、Er 与 Ez 的表达式，明确包含 σ 与 σχ 的依赖关系。
• 通过数值方法演化时空中的场分布，对比有无导率的情况，以分离导率的影响。
• 分析 E·B 的偶极结构与 (E·B)B 的四极模式，评估其对电荷分离的潜在影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 电导率与手征磁导率在多大程度上改变夸克胶子等离子体中电磁场的衰减速率与空间分布？
• RQ2 导率在多大程度上破坏了电磁场分布相对于反应平面的对称性？
• RQ3 在横向平面中，σ 与 σχ 的引入如何改变 E·B 异常的偶极结构？
• RQ4 在导电介质中，由于 E·B 偶极与磁场的耦合，会生成多大的电四极矩？
• RQ5 这些修改后的场结构对强子椭圆流（v2）中观测到的电荷分离具有何种影响？

主要发现

• 与真空中（Lienard-Wiechert）情况相比，电导率与手征磁导率的引入显著减缓了电磁场的衰减速率。
• 导率在电磁场分布中诱导出相对于反应平面的对称性破缺，破坏了初始的方位对称性。
• 由于 σ 与 σχ 的存在，E·B 异常的偶极结构得到增强并发生改变，表明空间各向异性更强。
• 由于 E·B 偶极与导电介质中磁场的耦合，产生了非零的电四极矩。
• 特别是 (E·B)B 的四极结构，这些修改后的场构型可能直接影响强子的电荷依赖性椭圆流（v2）。
• 结果表明，介质导率在真实模拟重离子碰撞中电磁效应时至关重要，尤其对于理解超出 CME 框架的电荷分离机制具有重要意义。