[论文解读] Implications of the isobar run results for chiral magnetic effect in heavy ion collisions

Dmitri E. Kharzeev, Jinfeng Liao+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

本文重新評估了STAR合作組在重離子碰撞中同核素實驗的結果，以評估手徵磁效應（CME）的存在。結果顯示，在考慮RuRu與ZrZr系統之間在強子多重數與集體流方面的觀測差異後，與數據一致的有限CME信號能貢獻為（6.8 ± 2.6）%，解決了初始盲分析中出現的矛盾。

ABSTRACT

Chiral magnetic effect (CME) is a macroscopic transport phenomenon induced by quantum anomaly in the presence of chiral imbalance and an external magnetic field. Relativistic heavy ion collisions provide the unique opportunity to look for CME in a non-Abelian plasma, where the chiral imbalance is created by topological transitions similar to those occurring in the Early Universe. The isobar run at Relativistic Heavy Ion Collider was proposed as a way to separate the possible CME signal driven by magnetic field from the background. The first blind analysis results from this important experiment have been recently released by the STAR Collaboration. Under the pre-defined assumption of identical background in RuRu and ZrZr, the results are inconsistent with the presence of CME, as well as with all existing theoretical models (whether including CME or not). However the observed difference of backgrounds must be taken into account before any physical conclusion is drawn. In this paper, we show that once the observed difference in hadron multiplicity and collective flow are quantitatively taken into account, the STAR results could be consistent with a finite CME signal contribution of about $(6.8\pm2.6)\%$.

研究动机与目标

• 為解決STAR合作組同核素實驗結果中看似矛盾的現象，即最初在RuRu系統中因磁場較強而預期有更大CME信號，但卻未檢測到CME信號。
• 量化RuRu與ZrZr碰撞中觀測到的強子多重數與集體流（v₂）差異對CME觀測量解讀的影響。
• 透過建模背景與多重數成反比，並結合測量到的關聯器比值與磁場投影，重新評估CME信號比例。
• 提供一個一致的物理解釋，使觀測到的關聯器比值與非零CME信號一致，修正了背景相同這一錯誤假設。

提出的方法

• 作者利用磁場投影平方的比值（R_B = 1.17 ± 0.05）與橢圓流比值（R_v₂ = 1.0151）計算CME驅動的信號比值，得到信號比值參數λ_s = 0.15 ± 0.05。
• 透過計算STAR多重數分佈數據中的平均倒多重數⟨1/N⟩，估計非CME背景比值λ_b，得到⟨1/N⟩_Ru = 0.01260與⟨1/N⟩_Zr = 0.01328，進而得出λ_b = 0.05084。
• 從表1中提取測量到的關聯器比值R = Δγ_Ru / Δγ_Zr，對應於20–50%中心度類別，R = 0.9641 ± 0.0037。
• 使用線性疊加模型，透過公式f_s = (R - λ_b) / (λ_s - λ_b)計算信號分數，結果為f_s = (6.8 ± 2.6)%。
• 進行敏感度分析，使用不同分析組（Group-1、Group-2、Group-3）的R極端值，得出f_s = (5.2 ± 4.0)%至(11.7 ± 3.6)%。
• 分析考慮了多重數比例校正的可能非流效應，承認λ_b可能存在±0.01的不確定性，可能顯著影響f_s。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RuRu與ZrZr碰撞中觀測到的CME觀測量比值是否與非零CME信號一致，還是表觀抑制僅由背景差異引起？
• RQ2 RuRu與ZrZr碰撞中強子多重數與集體流的差異在多大程度上否定了CME搜尋中背景相同的初始假設？
• RQ3 在修正觀測到的背景變化後，CME信號對測量關聯器比值的定量貢獻是多少？
• RQ4 所提取的CME信號分數對多重數比例與背景模型中非流效應的不確定性有多敏感？
• RQ5 若正確考慮背景，STAR同核素實驗數據是否能與CME的理論預期一致？

主要发现

• 在修正強子多重數與集體流差異後，STAR同核素實驗數據與（6.8 ± 2.6）%的有限CME信號能貢獻一致。
• 基於磁場投影平方比值（R_B = 1.17 ± 0.05）與橢圓流比值（R_v₂ = 1.0151），估計CME驅動信號比值參數為λ_s = 0.15 ± 0.05。
• 利用平均倒多重數⟨1/N⟩估計非CME背景比值為λ_b = 0.05084，其中⟨1/N⟩_Ru = 0.01260與⟨1/N⟩_Zr = 0.01328。
• 測量到的關聯器比值R = Δγ_Ru / Δγ_Zr為0.9641 ± 0.0037，小於1是因背景效應所致，並非CME缺失。
• 敏感度分析顯示，信號分數依分析組對R的測量值不同，介於(5.2 ± 4.0)%至(11.7 ± 3.6)%之間。
• 本研究強調，初始結論認為無CME信號，是因假設背景相同，而此假設與觀測到的多重數與流場差異不一致，因而被推翻。