[论文解读] The anomalous transport of axial charge: topological vs non-topological fluctuations

Ioannis Iatrakis, Shu Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2015

Geophysical and Geoelectrical Methods参考文献 65被引用 3

一句话总结

本文研究了非阿贝尔等离子体对轴向电荷不平衡的响应是否取决于该不平衡是由拓扑胶子涨落还是非拓扑热涨落引起——这与手征磁效应密切相关。通过全息模型（Sakai-Sugimoto），研究发现手征磁效应电流与轴向电荷密度之比具有普遍性，且与轴向电荷的微观起源无关，轴向电荷的阻尼由规范-西蒙斯扩散常数决定。

ABSTRACT

Axial charge imbalance is an essential ingredient in novel effects associated with chiral anomaly such as chiral magnetic effects (CME). In a non-Abelian plasma with chiral fermions, local axial charge can be generated a) by topological fluctuations which would create domains with non-zero winding number b) by conventional non-topological thermal fluctuations. We provide a holographic evaluations of medium's response to dynamically generated axial charge density in hydrodynamic limit and examine if medium's response depends on the microscopic origins of axial charge imbalance. We show a local domain with non-zero winding number would induce a non-dissipative axial current due to chiral anomaly. We illustrate holographically that a local axial charge imbalance would be damped out with the damping rate related to Chern-Simon diffusive constant. By computing chiral magnetic current in the presence of dynamically generated axial charge density, we found that the ratio of CME current over the axial charge density is independent of the origin of axial charge imbalance in low frequency and momentum limit. Finally, a stochastic hydrodynamic equation of the axial charge is formulated by including both types of fluctuations.

研究动机与目标

• 确定介质对轴向电荷不平衡的响应是否依赖于其微观起源——即拓扑涨落与非拓扑涨落。
• 研究含有手征费米子的禁闭相等离子体对动态生成的轴向电荷密度的流体动力学响应。
• 评估手征磁效应（CME）电流是否取决于轴向电荷是源于拓扑畴形成还是热涨落。
• 构建一个同时包含两类涨落的随机流体动力学方程，并分析轴向电荷关联动力学。
• 确立流体动力学极限下动力学轴向磁化率的普遍性。

提出的方法

• 采用自上而下的全息Sakai-Sugimoto模型，描述具有手征费米子的大Nc、冻结QCD类等离子体。
• 通过C7 Ramond-Ramond场的动力学及其与味场区的Wess-Zumino耦合，建模拓扑胶子涨落。
• 在流体动力学极限（小ω，k）下计算轴向电流响应，以确定手征磁电流与轴向电荷密度之比。
• 通过味场与胶子场之间的相互作用，推导轴向电荷不平衡的阻尼率，并将其与规范-西蒙斯扩散常数关联。
• 构建一个包含拓扑与热涨落噪声的轴向电荷随机流体动力学方程。
• 利用规范-西蒙斯扩散常数与自费米子阻尼率之间的爱因斯坦类似关系，确保热力学一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 手征磁效应电流是否取决于轴向电荷不平衡起源于拓扑涨落还是热涨落？
• RQ2 在流体动力学极限下，动力学轴向磁化率（即CME电流与轴向电荷密度之比）是否依赖于轴向电荷的微观起源？
• RQ3 规范-西蒙斯扩散常数在局部生成的轴向电荷密度阻尼中起什么作用？
• RQ4 由于扩散与拓扑贡献，轴向电荷密度的空间关联如何随时间演化？
• RQ5 能否构建一个统一的随机流体动力学框架，以描述来自拓扑与非拓扑源的轴向电荷涨落？

主要发现

• 在低频、长波长的流体动力学极限下，手征磁电流与轴向电荷密度之比与轴向电荷不平衡的微观起源无关。
• 具有非零绕数的局域区域通过手征异常诱导非耗散性轴向电流，全息计算结果已证实此现象。
• 轴向电荷密度的阻尼率与规范-西蒙斯扩散常数相关，而该常数又通过热力学一致性与自费米子阻尼率相联系。
• 动力学轴向磁化率（定义为CME电流与轴向电荷密度之比的倒数）与静态磁化率一致，且在所有起源下均具有普遍性。
• 在长时间极限下，轴向电荷涨落达到热平衡，其方差趋近于χTV，与热力学预期一致。
• 随机流体动力学方程表明，扩散模式随时间在轴向电荷密度之间产生空间关联，关联函数从非局域形式演化为平衡时的狄拉克δ函数。