[论文解读] Signatures of the spin Hall effect in hot and dense QCD matter

Baochi Fu, Long-Gang Pang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 7

一句话总结

本文提出，在RHIC束流能量扫描（BES）能量下，由重子化学势梯度驱动的热密QCD物质中的自旋霍尔效应（SHE）会产生可观测的Λ超子自旋极化。通过采用AMPT初始条件的(3+1)D黏性流体动力学模型，作者预测净自旋极化的二阶傅里叶分量$P_{2,z}^{ ext{net}}$和$P_{2,y}^{ ext{net}}$作为关键可观测量，其在存在与不存在SHE时表现出显著不同的符号和能量依赖性，从而为SHE的探测提供了独特的实验信号。

ABSTRACT

The spin Hall effect (SHE) is a generation of spin polarization for moving spin carriers in materials under an external electric field and has been observed in semiconductors, metals, and insulators at or below room temperature. Recent theoretical analyses show that spin Hall current can be induced by the baryon chemical potential gradient which plays the role of the analogous electric field and which becomes sizable in the fireballs created in heavy-ion collisions at beam energy of ${\cal O}(10)$~GeV. In this letter, we study this important mechanism for spin polarization generation that has not been systematically explored before and predict the signature of the SHE in those collisions using a (3+1)~D viscous hydrodynamic model MUSIC with AMPT initial condition. We propose to use the second Fourier coefficients of the net spin polarization of Lambda hyperon as sensitive probes to search for the SHE. Those SHE observables show a qualitative difference in both the sign and beam energy dependence for the situations with and without the SHE. Future experimental observation of these distinct qualitative features would provide strong evidence for the existence of the SHE in the hot and dense QCD matter at trillions of degrees.

研究动机与目标

• 研究自旋霍尔效应（SHE）在RHIC-BES能量下产生热密QCD物质中自旋极化的作用。
• 识别可实验探测的可观测量，以区分SHE贡献与其他自旋极化机制（如涡旋和剪切诱导极化）的影响。
• 量化重子化学势梯度对Λ与反Λ超子微分自旋极化的影响。
• 证明净自旋极化的二阶傅里叶分量是探测重离子碰撞中SHE的敏感探针。

提出的方法

• 本研究采用MUSIC (3+1)D黏性流体动力学模型，结合AMPT初始条件，模拟在$\sqrt{s_{NN}} = 7.7$ GeV下重离子碰撞中QCD物质的时空演化。
• 利用Wigner函数形式与相对论性输运理论，计算Λ与反Λ超子的自旋极化，其中纳入了对重子化学势梯度响应的SHE效应。
• 通过关系式$\bm{P} \propto -\bm{p} \times (q_B \nabla \mu_B)$建模SHE诱导的自旋极化，其中$q_B$为重子电荷，$\bm{p}$为自旋载体的动量。
• 提取净自旋极化的二阶傅里叶系数$P_{2,z}^{\text{net}}$和$P_{2,y}^{\text{net}}$作为关键可观测量，以隔离SHE效应与竞争机制的影响。
• 模型中包含涡旋、剪切诱导极化（SIP）和温度梯度的贡献，通过有无SHE的对比模拟实现SHE贡献的分离。
• 对初始条件、剪切与体积黏度、重子扩散以及方程状态进行敏感性分析，以验证SHE信号的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由重子化学势梯度诱导的自旋霍尔效应是否在RHIC-BES能量下对Λ超子微分自旋极化产生可测量的信号？
• RQ2 当SHE存在于模拟中时，净自旋极化的二阶傅里叶分量的符号与束流能量依赖性，与SHE被排除时有何不同？
• RQ3 在低束流能量下，SHE贡献的大小与已知的其他自旋极化机制（如涡旋和剪切诱导极化）相比，其相对重要性如何？
• RQ4 净自旋极化的二阶分量$P_{2,z}^{\text{net}}$和$P_{2,y}^{\text{net}}$能否作为探测重离子碰撞中SHE的稳健且可分离的探针？

主要发现

• 在$\sqrt{s_{NN}} = 7.7$ GeV下，SHE对Λ超子微分自旋极化的贡献在量级上与涡旋和剪切诱导极化相当。
• 当SHE被包含在模拟中时，净自旋极化的二阶傅里叶分量$P_{2,z}^{\text{net}}$和$P_{2,y}^{\text{net}}$在符号和束流能量依赖性上表现出定性差异。
• $P_{y}^{\text{net}}$的SHE贡献符号对重子化学势的纵向分布敏感，且随束流能量降低，可由负变正。
• 净自旋极化对SHE的敏感性高于单个分量$P_{z,y}$或$\overline{P}_{z,y}$，因为其能有效隔离化学势梯度效应与其他机制的影响。
• 在初始重子密度、流场分布、剪切与体积黏度、重子扩散以及方程状态的合理范围内变化时，SHE信号保持稳健。
• 模型结果表明，SHE对$P_{z}^{\text{net}}$的贡献为正，且在量级上与SIP和温度梯度贡献相当，低能时与SIP同号。