[论文解读] Polarized secondary particles in unpolarized high energy hadron-hadron collisions?

S. A. Voloshin|ArXiv.org|Oct 21, 2004

High-Energy Particle Collisions Research被引用 45

一句话总结

本文提出，在未极化的高能强子-强子碰撞中，轨道角动量可通过自旋-轨道耦合转化为次级粒子的自旋角动量，从而在快度中点（$x_F=0$）和低横动量区域产生非零的超子极化。该效应源于粒子产生平面与由初始轨道动量定义的反应平面之间的关联，为 $p+p$ 碰撞中的定向流和椭圆流提供了机制，并可能解释在RHIC观测到的强椭圆流。

ABSTRACT

In this short note I speculate on some consequences of the high energy collision picture in which the orbital angular momentum of the colliding hadrons can be converted into secondary particle angular spin momentum via some spin-orbital interaction. In particular I discuss a possibility to observe a non-zero polarization of secondary particles (e.g. hyperons) at midrapidity ($x_F=0$) and at low transverse momentum. I also speculate that such effects could contribute to the produced particle directed and elliptic flow observed in relativistic nuclear collisions.

研究动机与目标

• 探索在未极化的强子-强子碰撞中，由于轨道角动量向自旋角动量的转换，次级粒子极化的可能性。
• 在不依赖初始束流极化的情况下，解释在快度中点和低 $p_T$ 区域观测到的超子极化现象。
• 将 $p+p$ 和 $A+A$ 碰撞中的单自旋不对称性以及定向流/椭圆流与同一自旋-轨道耦合机制联系起来。
• 解决由于超子极化与系统轨道动量对齐而可能在宇称破坏搜索中引起的混淆。

提出的方法

• 引入一个由碰撞强子初始轨道角动量定义的反应平面，类似于非中心核-核碰撞的情况。
• 相对于该反应平面建模粒子产生与极化，假设自旋-轨道耦合将轨道动量转化为自旋角动量。
• 利用前向快度区域粒子的方位角分布，推断初始轨道角动量的方向。
• 将观测到的超子极化与由于横动量效应导致的产生平面和反应平面之间的错位联系起来。
• 通过分析矢量共振态（如 $\rho$）的衰变角分布，利用其在共振态静止参考系中与 $\cos(2\phi)$ 的依赖关系，将其与椭圆流关联。
• 考虑宇称破坏衰变效应，这些效应可能因与超子极化的相关性而掩盖真实的宇称破坏信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在未极化的 $p+p$ 碰撞中，轨道角动量是否能导致在快度中点可观测到的超子极化？
• RQ2 观测到的超子极化在 $x_F$ 和 $p_T$ 上的依赖性，有多少是由于产生平面与反应平面之间的错位，而非内在的极化损失？
• RQ3 在基本的 $p+p$ 碰撞中，自旋-轨道耦合是否能解释在 $A+A$ 碰撞中观测到的定向流与椭圆流？
• RQ4 超子极化与系统轨道动量对齐，如何影响在重离子碰撞中对宇称破坏的搜索？

主要发现

• 由于自旋-轨道耦合，在未极化的 $p+p$ 碰撞中，快度中点（$x_F=0$）和低横动量区域预测存在非零的超子极化。
• 观测到的超子极化在 $x_F$ 和 $p_T$ 上的依赖性源于产生平面与反应平面（由初始轨道动量定义）之间相关性的减弱，而非内在的极化损失。
• 在快度中点产生的矢量共振态其自旋将与初始轨道角动量对齐，导致其衰变产物呈现 $\propto \cos(2\phi)$ 的角分布，从而对椭圆流有贡献。
• 该机制可解释在RHIC观测到的强椭圆流，尤其是在 $p_T \sim 3$ GeV/c 附近，其他模型在此区域失效。
• 超子极化与系统轨道动量对齐，可能因沿轨道动量方向的优先发射，而掩盖 $A+A$ 碰撞中真实的宇称破坏信号。
• 通过利用前向快度区域粒子方位角分布进行事件逐个分析，可重建反应平面，并分离出真实的极化信号。