[论文解读] The search for magnetic-induced charged currents in Pb--Pb collisions with ALICE

Jacopo Margutti|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本研究首次在 $√s_{\text{NN}}=5.02$ TeV 的 Pb–Pb 碰撞中测量了包含带电粒子的赝快度奇数定向流 ($v_1^\text{odd}$)，使用 ALICE 实验。该研究检验了由夸克-胶子等离子体中时间变化的磁场引起的电磁效应预测，发现电荷依赖的 $v_1^\text{odd}$ 倾斜度为 $1.68 \pm 0.49$（统计）$\pm 0.41$（系统）$\times 10^{-4}$，显著性为 2.6$\sigma$，尽管其符号和大小与理论预测不一致。

ABSTRACT

In non-central heavy-ion collisions unprecedented strong magnetic fields, of the order of 10$^{18}$ Gauss, are expected to be produced. The interplay of such fields with QCD anomalies in the Quark--Gluon Plasma (QGP) has been predicted to lead to a number of interesting phenomena, such as the Chiral Magnetic Effect (CME). While several experimental observations are partially consistent with predictions of a CME signal, it is hard to distinguish them unambiguously from a combination of more mundane phenomena present in the anisotropic expansion of the QGP. This makes it imperative to establish that the early-time magnetic field has observable consequences not related to the anomalous QCD effects on final-state charged particles and to calibrate its strength. We test a recent prediction of a pure electromagnetic effect, which may arise in heavy-ion collisions. The varying magnetic field would induce a current within the QGP, which is expected to leave a very peculiar imprint on final-state particles: a contribution to directed flow which is asymmetric both in charge and pseudorapidity. We report the measurement of the charge dependence of directed flow with respect to the spectator plane for unidentified charged particles in Pb--Pb collisions at $\sqrt{s_ ext{NN}} = 5.02$ TeV.

研究动机与目标

• 检验在非中心重离子碰撞中由时变磁场引起的新型电磁效应预测。
• 分离出仅由电磁效应引起的、赝快度奇数且电荷相反的定向流贡献。
• 提供一种独立于异常 QCD 效应（如手征磁效应，CME）的早期磁场强度和寿命校准。
• 测量 $√s_{\text{NN}}=5.02$ TeV 下 Pb–Pb 碰撞中 $v_1^\text{odd}$ 的电荷依赖性，以探测夸克-胶子等离子体中感应电流的存在。
• 评估观测到的信号是否可归因于磁场影响，而非 CME 或其他流体动力学效应。

提出的方法

• 使用 ALICE 探测器在 $√s_{\text{NN}}=5.02$ TeV 下的 Pb–Pb 碰撞数据，积分亮度为 8 $\mu$b$^{-1}$，选取 2×10$^7$ 个事件（5–40% 中心度）。
• 通过 ZDC-A 和 ZDC-C 中子量能器的能量沉积重建旁观者平面，利用分段能量沉积构建流矢量，并采用非线性加权（$\alpha = 0.395$）以校正饱和效应。
• 通过标量积方法测量定向流，使用粒子动量、赝快度和方位角，通过粒子依赖权重应用效率和接受度修正。
• 将赝快度奇数分量的定向流定义为 $v_1^{\text{odd}} = \frac{1}{2}(v_1^{\text{ZDC-A}} - v_1^{\text{ZDC-C}})$，以隔离反应平面中的不对称性。
• 通过线性函数 $k \cdot \eta$ 拟合电荷差 $\Delta v_1^{\text{odd}} = v_1^{\text{odd+}} - v_1^{\text{odd-}}$，以量化电荷依赖的不对称性。
• 应用系统性修正，并分别报告统计与系统性来源的不确定性，显著性评估为 2.6$\sigma$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非中心 Pb–Pb 碰撞中，早期磁场是否会在夸克-胶子等离子体中诱导出电荷依赖的电流？
• RQ2 由此产生的电磁效应是否能产生一个电荷和符号不对称的赝快度奇数定向流分量？
• RQ3 观测到的 $v_1^{\text{odd}}$ 电荷依赖性是否与磁感应电流的理论预测一致？
• RQ4 该信号能否与手征磁效应或其他流体动力学效应的贡献区分开来？
• RQ5 该测量对高能重离子碰撞中磁场强度和寿命设定了何种约束？

主要发现

• 相对于赝快度，$v_1^{\text{odd}}$ 电荷差的斜率测量为 $k = 1.68 \pm 0.49$（统计）$\pm 0.41$（系统）$\times 10^{-4}$，表明存在电荷依赖信号。
• 该信号总显著性为 2.6$\sigma$，表明定向流分量中存在非零电荷不对称性。
• 观测到的斜率在大小和符号上与 $√s_{\text{NN}}=2.76$ TeV 下 $π^{\pm}$ 的理论预测相差达两个数量级，且符号相反。
• 从 $√s_{\text{NN}}=2.76$ 到 5.02 TeV，$v_1^{\text{odd}}$ 的斜率减小了 1.3 倍，与高能下系统旋转减弱一致。
• 在任一能量下，$|\eta| < 0.8$ 范围内未观测到 $v_1^{\text{odd}}$ 的显著中心度依赖性，支持了比较的有效性。
• 与预测在符号和大小上的差异表明，需进一步的理论和实验工作来确认该信号是否源于磁感应电流。