[论文解读] Macroscopic Chirality Fluctuations in Heavy Ion Collisions should induce CP forbidden Decays

R. Millo, Edward Shuryak|ArXiv.org|Dec 24, 2009

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

该论文提出，重离子碰撞中宏观手征性涨落可产生具有非零 θ(x) 的 CP-奇域，从而导致可观测的 CP 禁戒衰变，如 η → π⁺π⁻。这些衰变的速率被预测为远高于允许衰变的速率，可达约 0.1% 的 η 介子通过此方式衰变，若不变质量分辨率足够，可在现有 RHIC 数据中探测到。

ABSTRACT

f large fluctuations of quark chirality occur in heavy ion collisions, they result in macroscopic CP-odd "spots" of the so called theta-vacua, with a non-zero $θ(x)$. We consider particular decays of mesons, CP-forbidden in the vacuum with zero $θ$, like $η o ππ$. We evaluate their rates for such decays near hadronic freezeout. These rates, as well as charge asymmetries already observed, are proportional to square of the CP-violating parameter $$ averaged over the fireball and events. With such input, we found that the forbidden decay rates are likely to be orders of magnitude larger than CP-allowed ones. We further estimated that up to about one per mill of $η$ mesons produced in heavy ion collisions should decay in this way. We further discuss how those can be observed. We argue using STAR data on charge asymmetries for AuAu and CuCu collisions that the size of CP-odd spots at freezeout is as large as Cu nuclei: this fortunate fact (not explained so far by itself) suggests that the two-pion invariant mass is modified by only about a percent, which is comparable to experimental resolution. If so, we think experimental observation of these decays is within the reach of current dataset. If those decays are found, it would confirm that CP-odd interpretation of charge asyymetry is correct, even without complication related to geometry, impact parameter or magnetic field induced on the fireball.

研究动机与目标

• 研究在夸克-胶子等离子体中宏观 CP-奇涨落是否可诱导如 η 和 η′ 等介子的 CP 禁戒衰变。
• 基于 CP 破坏参数 ⟨θ²⟩ 的平方平均值，估算这些衰变的分支比。
• 为 STAR 数据中观测到的电荷不对称性提供一种独立于磁场或几何效应的 CP-奇解释的直接实验检验。
• 评估利用当前实验统计量和分辨率观测这些衰变的可行性。

提出的方法

• 将冻结温度下的火球建模为包含局部 CP-奇斑块的系统，其非零 θ(x) 源于初始手征性涨落的扩散与合并。
• 使用手征拉格朗日量描述 θ(x) 与介子之间的耦合，包括 η → π⁺π⁻ 等 CP 禁戒过程的衰变振幅。
• 估算衰变速率与 ⟨θ²⟩ 成正比，速率与火球及事件中 CP 破坏参数的平均平方值成比例。
• 分析 STAR 数据中的电荷关联（R(+-/++)），利用触发偏差解释观测到的不对称性，推断 CP-奇斑块相对于火球的尺寸。
• 将 η 衰变产生的 π⁺π⁻ 对的不变质量分布与随机对的统计背景进行比较，利用信号独特的运动学结构。
• 在假设实验分辨率足以分辨信号与背景的前提下，评估利用现有 RHIC 数据集探测的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 重离子碰撞中冻结温度下夸克-胶子等离子体的宏观 CP-奇涨落是否可导致如 η → π⁺π⁻ 这类介子的可观测 CP 禁戒衰变？
• RQ2 CP 禁戒衰变（如 η → π⁺π⁻）的预期分支比是多少？是否足够大以在当前数据中探测到？
• RQ3 基于 STAR 电荷关联数据推断的 CP-奇斑块尺寸与火球几何结构及实验分辨率有何关系？
• RQ4 CP 禁戒衰变的观测能否提供对 ⟨θ²⟩ 的独立测量，且与磁场或几何效应无关？
• RQ5 由于 CP-奇效应引起的两π系统不变质量偏移是否与实验分辨率相当，使得探测成为可能？

主要发现

• 预测 CP 禁戒衰变（如 η → π⁺π⁻）的速率远高于相应的 CP 允许三介子衰变，高出多个数量级。
• 预计在重离子碰撞中产生的 η 介子中，最多约 0.1% 会通过 CP 禁戒的 η → π⁺π⁻ 渠道衰变。
• 基于 STAR 数据显示 CuCu 碰撞中 R(+-/++) ≈ 1，估算冻结温度下 CP-奇斑块的尺寸与 ⁶³Cu 核尺寸相当。
• 两π系统不变质量预计仅改变约 1%，在当前探测器分辨率范围内，探测可行。
• 由于在冻结温度 T_f ≈ 170 MeV 下 π 子动量较高，η′ → π⁺π⁻ 衰变的信背比可能更高。
• 若观测到此类衰变，将为电荷不对称性的 CP-奇起源提供直接、独立的证实，无需依赖磁场或几何模型。