CMS no observa el efecto magnético quiral sugerido por STAR y ALICE

Dibujo20170615 The chiral magnetic effect nature23086-f1

Ciertas correlaciones entre partículas cargadas observadas en colisiones periféricas de iones pesados en los detectores STAR del RHIC y ALICE del LHC se han interpretado como resultado del efecto magnético quiral (CME). Se publica un artículo del detector CMS del LHC que descarta que dicho efecto sea la causa de estas correlaciones. Se han analizado colisiones entre iones de plomo (Pb-Pb), y protones e iones de plomo (p-Pb), que corresponden a colisiones nucleón contra nucleón a una energía de 5,02 TeV en el centro de masas. Se observan las correlaciones en ambos casos, cuando el CME predice que no deberían observarse en el segundo. Futuros estudios tendrán que confirmar este resultado de CMS.

El efecto magnético quiral es debido a la rotura de la simetría de paridad en las colisiones entre nucleones a alta energía. En dichas colisiones se producen intensos campos magnéticos que inducen una asimetría en las distribución de partículas por encima y por debajo del plano de la colisión. Para estudiar este efecto hay que estudiar las correlaciones entre tríos de partículas cuyos ángulos de salida de la colisión estén bien separadas (es decir, bien separadas en pseudorrapidez). CMS permite estudiar tríos de partículas cargadas de las que dos tienen pseudorrapidez |η|< 2,4, y la tercera 4,4 <|η|< 5. Gracias a ello se puede definir un nuevo observable no trivial que permite descartar el CME como responsable de las correlaciones observadas con STAR y ALICE.

El nuevo artículo es CMS Collaboration, “Observation of Charge-Dependent Azimuthal Correlations in p−Pb Collisions and Its Implication for the Search for the Chiral Magnetic Effect,” Phys. Rev. Lett. 118: 122301 (24 Mar 2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.118.122301, arXiv:1610.00263 [nucl-ex]; más información divulgativa en Alexandru Florin Dobrin, “No sign of asymmetry in the strong force,” Nature (14 Jun 2017), doi: 10.1038/nature23086.

Dibujo20160516 pseudorapidity eta calorimeters cms lhc cern

Los detectores de partículas como CMS tienen forma de cilindro con múltiples capas de detectores para diferentes tipos de partículas. La dirección angular de las partículas que se producen en el punto de colisión (en el centro del cilindro) se caracterizan por dos ángulos (θ y Φ). Se llama pseudorrapidez (η) a una transformación matemática del ángulo azimutal (θ) en coordenadas cilíndricas medido desde la dirección perpendicular al tubo por el que se mueven los protones en el LHC. Se podría medir el ángulo de la forma habitual con θ entre 0º para la vertical y ±90º para la dirección del tubo de los protones. Pero en física de partículas se usa la pseudorrapidez η, de tal forma que η=0 corresponde a la vertical y η=∞ a la dirección del tubo.

El detector CMS puede observar colisiones con una pseudorrapidez |η|< 2,4. Pero, además, a ambos lados y alrededor del tubo de protones, se han instalado unos calorímetros hadrónicos en la dirección de los haces (forward hadronic calorimeters) que permiten medir partículas con 4,4 <|η|< 5. ALICE y STAR carecen de este tipo de detectores. Por cierto, también existe un detector específico, llamado TOTEM, que permite estudiar partículas con 5,3 < |η| < 6,4. Gracias a estos detectores se pueden hacer física en la dirección de los haces (forward physics).

Dibujo20170621 same and opposite sign three particle correlator CMS PhysRevLett 118 122301

El colisionador RHIC estudia colisiones Au+Au con una energía por nucleón de 0,2 TeV en el centro de masas; LHC estudia colisiones Pb+Pb y p+Pb (protón contra plomo) con una energía por nucleón de 5,02 TeV c.m. La interacción fuerte descrita por la cromodinámica cuántica (QCD) conserva la paridad. Sin embargo, en las colisiones de iones se producen intensos campos magnéticos que afectan al plasma quark-gluón, pudiendo inducir una nueva fase QCD caracterizada por burbujas metaestables en las que se viola la paridad. Esta fase se describe mediante un modelo efectivo, modelo sigma, que presenta una carga topológica cuyas fluctuaciones de vacío son responsables de la fase que muestra el CME.

Las correlaciones observadas en STAR para colisiones Au+Au y en ALICE para colisiones Pb+Pb podrían ser resultado del CME, pero también podrían tener otra causa. El campo magnético que causa el CME en las colisiones Pb+Pb tiene una dirección perpendicular al plano de la colisión; sin embargo, en las colisiones p+Pb su orientación es arbitraria (porque el protón se comporta como puntual para un átomo de plomo). Si la causa de las correlaciones observadas en STAR y ALICE fuera el CME, entonces CMS debería observar menos correlaciones en las colisiones p+Pb que en las Pb+Pb.

Dibujo20170621 ss os 3 particle correlations as function of pbpb centrality CMS PhysRevLett 118 122301

Como muestran estas figuras, las correlaciones observadas por CMS en las colisiones Pb+Pb y p+Pb son muy similares en magnitud, en contra de la predicción teórica cuando su causa es el efecto magnético quiral. En las figuras, las correlaciones entre tríos de partículas (una de ellas detectada por los calorímetros en la dirección de los haces) se separan en dos contribuciones en función de si las otras dos partículas tienen el mismo signo de carga (SS en las figuras) o signo opuesto (OS en las figuras). Los resultados de CMS indican que la contribución del CME a las correlaciones observadas es despreciable.

En resumen, CMS descarta que el efecto magnético quiral haya sido observado por STAR y ALICE. Futuros estudios son necesarios, tanto análisis más precisos por parte de CMS, como nuevos análisis realizados por ATLAS y otros detectores. La búsqueda de nuevas fuentes de violación de la paridad en la interacción fuerte continua.

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