qm2006 2006 年 11 月 14-21 日 shanghai, china 梁作堂 (liang zuo-tang) 山东大学 1 for the...

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QM2006 2006年11年14-21年 Shanghai, China 年年年(Liang Zuo-tang) 年年年年 1 For The 19th International Conference on Ultra-Relativistic Nucleus-Nucleus Collisions (QM2006) Globally polarized QGP in non-central AA collisions at high energies References: Z. Liang and X.N. Wang, Phys. Re v. Lett. 94, 10230 1 (2005); Phys. Let Liang Zuo-tang Shandong University

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QM2006  2006年11月14-21日 Shanghai, China  梁作堂(Liang Zuo-tang) 山东大学 1

For The 19th International Conference on Ultra-Relativistic Nucleus-Nucleus Collisions (QM2006)

Globally polarized QGP in non-central AA collisions at high energies

References: Z. Liang and X.N. Wang, Phys. Rev. Lett. 94, 102301 (2005); Phys. Lett. B629, 20 (2005); Gao Jian-hua et al, …… in preparation.

Liang Zuo-tang Shandong University

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QM2006  2006年11月14-21日 Shanghai, China  梁作堂(Liang Zuo-tang) 山东大学 2

Outline

Introduction Global polarization of quarks and anti-quarks Direct consequences:

I. Hyperon polarization

II. Vector meson spin alignment

Summary and outlook

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QM2006  2006年11月14-21日 Shanghai, China  梁作堂(Liang Zuo-tang) 山东大学 3

IntroductionIntroduction

1989: Proton’s spin crisis; Since 1970s: Hyperon polarization in unpolarized p+p/AH+X; Since 1970s: Single-spin left-right asymmetry in p()+p+X; Since 1970s: Spin analyzing power in p()+pp+p; Spin transfer in fragmentation process; J/ polarization in p+p J/+X; … … …

Spin effects usually provide us with useful information on reaction mechanism and often surprises. Many examples … … … …

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IntroductionIntroduction

Do spin physics in AA collisions without polarizing A ?

heavy ion collider

polarized pp collider

heavy ion physics

spin physics

spin physics in heavy ion collisions ?R

HIC

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Global Orbital Angular

Momentum

Yb

Huge orbital angular momentum of the colliding system.

reaction plane: can be determined by measuring v2 and v1.

normal of the reaction plane

impact parameter || bp

bpn

in

inre

-L

y in

unit

of 1

05b/RA

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Global orbital angular momentum

Gradient in pz-distribution along the x-direction

x

zimpact parameter b

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QM2006  2006年11月14-21日 Shanghai, China  梁作堂(Liang Zuo-tang) 山东大学 7

Gradient in pz-distribution along x-direction

GeVscsp 22.2)(2/0

Au+Au at 200AGeV

p z(x,b

) in

unit

of p

0

GeV/fm68.0/2 0 ARp

dpz\d

x in

unit

of 2

p 0\RA

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Local Orbital Angular Momentum

x

xdx

dpp z

z

7.1 xpL zy

for b =RA, x=1fm

Tximpact parameter of t

he two partons Tx

has a preferred direction ( ) !b

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Question

Can such a local orbital angular momentum

be transferred to the polarization of quark or

anti-quark through the interactions between t

he partons in a QGP?

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Quark scattering with fixed reaction plane

Scattering amplitude in momentum space ),(, EqM Ti

spin independent part

Differential cross section w.r.t. the impact parameter

spin dependent part

Tx

),(),(2

1

)2()2(*

,,)(

2

2

2

2

2 EqMEkMekdqd

xd

dTT

xqkiTT

Tii

i

TTT

Txd

d2

T

unp

xd

d2

Quark polarization after the scattering: unpqP /

a 2-dimensional Fourier transformation to impact parameter space

average over the preferred directions Tx

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Qualitative results

),(4 20

2

2 TDsTT

unp xKcxd

d

Static potential model with “small angle approximation”

Both have exactly the same form !

)()(4)(

)( 102

2 TDTDsTq

DT

T

xKxKcmEE

pxpn

xd

d

Bessel functions

)(2

222 TsqqTTT

unp xFcxd

d

xd

d

xd

d

QCD at finite temperature with HTL(hard thermal loop) gluon propagator

)( )( 2

222 TsqqTTTT

xFcxpnxd

d

xd

d

xd

d

scalar functions of xT

spin direction of the quark after the scattering

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Qualitative results

)(2 T

T

xpnxd

has a preferred

direction Tx

b has a preferred

directionTxp

bpn inre

re

TT

nnxd

xd

at

22max

a polarization of quark in the direction opposite to the normal of the reaction plane!

normal of the AA-reaction plane

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Quantitative results with QCD at finite temperature

Tp /More details about the calculations will be given in the talk by Gao Jian-hua in Xi’An.

- Qua

rk p

olar

izat

ion

P q

:T temperature

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A new picture of QGP in non-central AA collisions

fp

p

Tx

ren

The scattered quark acquiresa negative polarization in thenormal direction of the reaction plane! global polarization

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Direct consequences

XVHqqZee )or (0

Compare to:

global polarization of quarks & anti-quarks

polarization of hadrons

hadronization

OPAL XKee 0*

00 : probability for the third component of the spin of K*0 to take zero.

00=1/3: unpolarized

In a non-central AA collision:

Vector meson spin alignment

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Consequence I: Hyperon polarization

Recombination scenario q1+q2

+q3H

ssdudu PPPPPP

Hyperon

PH Ps

PH in the case that Pq = Ps

Pq Pq Pq Pq

We expect . , ssqdudu PPPPPPP

.' and ' allfor s HsHPP qH

In the case that

2

2

43

34

qsq

qssq

PPP

PPPP

2

2

43

34

ssq

qsqs

PPP

PPPP

)1(3

)5(2

2

s

ss

P

PP

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Consequence I: Hyperon polarization

Fragmentation scenario q H + X.

Hyperon

PH

PH in the case of Pq =Ps

PH in the case of Pq =Ps and ns =fs

ss

ss

fn

Pn

2 )2(3

4

ss

ssqs

fn

PnPf

)2(3

4

ss

qsss

fn

PfPn

3sP

qss

s Pfn

n

2 qss

ss Pfn

nf

)2(3

4

qss

ss Pfn

fn

)2(3

4

3sP

3qP

QGP in quarksfor :1:1:: ssdu nNNN

ionfragmentat in produced quarksfor :1:1:: ssdu fNNN

3qP

3qP

3qP

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Consequence I: Hyperon polarization

Some of the expected qualitative features

The same for hyperons and anti-hyperons.

(Approximately) the same for different hyperons.

No polarization at b=0, increases approximately linearly with b.

Tp

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Consequence II: Vector meson spin alignment

XVqXVq or

XVqXVqfragV or for 3/1)(

,3

12

2)(

00q

qfrag

P

P

,3

1

3

12

2

2

2)*(

00s

s

ss

s

q

q

ss

srecK

P

P

fn

n

P

P

fn

f

In analog to XKqqZee *0

5.0

for 3/1)(00 VqqrecV

,3

12

2)(

00q

qrec

P

P

,3

1)*(00

sq

sqrecK

PP

PPρ

Fragmentation scenario

Recombination scenario Vqq 21

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Experimental studies at RHIC

See e.g., next talk.

Also: special session at the Xi’An workshop.

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Still many open questions More realistic calculations by taking longitudinal as well a

s transverse flows into account;

Influence from final state interaction between hadrons;

Influence of orbital angular momenta in hadronization;

Relation to hyperon polarization w.r.t. production plane;

Other measurable consequences;

… … …

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Summary

A great advantage to study spin effects in non-central AA-collisions is: the reaction plane can be determined experimentally by measuring v1 and v2.

There exists a huge orbital angular momentum of the colliding system w.r.t. the reaction plane.

Quarks and anti-quarks are polarized in the opposite direction as the normal of the reaction plane due to spin-orbital interaction in QCD.

Many consequences, many open questions … …

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Outlook

………………………

A possible method to study the role of orbital angular momentum in high energy spin physics.

An effective way to study spin-orbital interaction in QCD?

A new window to look at the properties of QGP?

Thank you for your attention!