Searching for P- and CP- odd effects in heavy ion collisions

Abstract

In this thesis we study the possibility that QCD breaks parity at high temperatures and densities, a scenario that may be tested in heavy ion collisions. We present two different approaches to this problem. On the one hand, analytical studies with effective models suggest that QCD may break parity in dense systems due to condensation of pseudoscalar mesons in the isotriplet channel. On the other hand, P- and CP- odd bubbles may appear in a finite volume due to local large topological fluctuations in a hot medium. The presence of a large magnetic field or angular momentum may lead to the so-called Chiral Magnetic Effect. We assume topological fluctuations as the source of parity violation in heavy ion collisions throughout. This effect may be treated in a quasi-equilibrium description by means of a non-trivial axial chemical potential.

We consider the 'two flavour' Nambu—Jona-Lasinio model in the presence of a vector and an axial external chemical potentials and study the phase structure of the model at zero temperature. The Nambu—Jona-Lasinio model is often used as a toy replica of QCD and it is therefore interesting to explore the consequences of adding external vector and axial chemical potentials in this model, mostly motivated by claims that such external drivers could trigger a phase where parity could be broken in QCD. We are also motivated by some lattice analysis that attempt to understand the nature of the so-called Aoki phase using this simplified model. Analogies and differences with the expected behaviour in QCD are discussed and the limitations of the model are pointed out.

We also consider the low energy realization of QCD in terms of mesons when an axial chemical potential is present; a situation that may be relevant in heavy ion collisions. We demonstrate that the presence of an axial charge has profound consequences on scalar/pseudoscalar meson physics. The most notorious effect is the appearance of an explicit source of parity breaking. The eigenstates of strong interactions do not have a definite parity and interactions that would otherwise be forbidden compete with the familiar ones. We focus on scalars and pseudoscalars that are described by a generalized linear sigma model. We comment briefly on the screening role of axial vectors in formation of effective axial charge and on the possible experimental relevance of our results, whose consequences may have been already seen at RHIC.

Finally, we investigate how local parity breaking may affect vector physics. A modified dispersion relation is derived for the lightest vector mesons rho and omega. They are characterised by a mass splitting depending on their polarization. This effect predicts a natural overproduction of lepton pairs in the vicinity of the rho-omega resonance peak as well as a polarization asymmetry around this peak. The dilepton excess seems relevant to explain the anomalous dielectron yield quoted by PHENIX/STAR. We present a detailed analysis of the angular distribution associated to the lepton pairs created from these mesons searching for polarization dependencies. Two angular variables are found to carry the main information related to the parity-breaking effect. Possible signatures for experimental detection of local parity breaking are discussed.

En esta tesis estudiamos la posibilidad de que QCD rompa paridad a altas temperaturas y densidades, un escenario que se puede examinar en colisiones de iones pesados. Estudios analíticos con modelos efectivos sugieren que QCD puede romper paridad en sistemas densos. Además, pueden aparecer burbujas con P y CP impar en un volumen finito debido a grandes fluctuaciones topológicas locales en un medio caliente. Este último efecto puede ser tratado en una descripción cercana al equilibrio mediante un potencial químico axial.

Consideramos el modelo de Nambu—Jona-Lasinio con ‘dos sabores’ en presencia de un potencial químico vectorial y uno axial y estudiamos la estructura de fases del modelo a temperatura cero. Estas magnitudes podrían abrir una fase donde la paridad podría romperse en QCD. También nos motivan algunos análisis en el retículo que intentan entender la naturaleza de la llamada fase de Aoki usando este modelo simplificado. Se discuten analogías y diferencias con el comportamiento esperado en QCD además de las limitaciones del modelo.

Consideramos también la realización de QCD a bajas energías en términos de mesones en presencia de un potencial químico axial. Demostramos que la presencia de una carga axial tiene profundas consecuencias en la física de mesones escalares y pseudoescalares. Los autoestados de la interacción fuerte no tienen una paridad bien definida y en consecuencia, algunas interacciones antes prohibidas, ahora compiten con las más familiares. Nos centramos en escalares y pseudoescalares que se describen mediante un modelo sigma lineal generalizado.

Finalmente, investigamos cómo la ruptura de paridad local puede afectar la física de mesones vectoriales. Se deriva una relación de dispersión modificada para los mesones más ligeros rho y omega. Este efecto predice una sobreproducción natural de parejas de leptones en las inmediaciones del pico de resonancia rho-omega así como una asimetría en la polarización alrededor de este pico. El exceso de dileptones parece ser relevante para explicar la producción anómala de dielectrones citada por PHENIX/STAR. Presentamos un análisis detallado de la distribución angular asociada a las parejas de leptones creadas de estos mesones en busca de dependencias en la polarización. Se encuentran dos variables angulares que transportan la información principal relacionada con el efecto de ruptura de paridad.