中高能重离子碰撞的手征电磁效应和手征涡旋效应

Strong electromagnetic fields can be created in high energy heavy ion collisions. In such strong magnetic fields, charged particles especially chiral fermions (quarks) have interesting properties such as chiral magnetic effects (CME), chiral vortical effects (CVE) and chiral magnetic waves which are related to quantum anomaly. The aim of this project is to systematically investigate such effects in heavy ion collisions using quantum kinetic theory based on Wigner functions as well as using quantum field theory and lattice gauge theory. We plan to carry out following tasks. We plan to build up models and simulation tools of quantum chiral kinetic theory and magnetohydrodynamics and carry out phenomenological studies. We plan to derive the magnetic moment as well as spin-vorticity coupling of chiral fermions in covariant kinetic solutions of 4-dimensional Wigner functions. We will study the parity-odd part of the electric conductivity in linear response theory with space-time varying electromagnetic fields. We will develop the higher order terms of Wigner functions for chiral fermions. We will use lattice QCD to investigate transport properties and phase structure of the strong interaction matter in external magnetic fields.

在中高能重离子碰撞产生的强电磁场中，带电粒子运动有其独特性质，特别是存在与手征反常相关的效应，如手征磁效应、手征涡旋效应、手征磁波效应等。本项目针对中高能重离子碰撞，着重利用量子动理学理论与维格纳函数方法，并结合场论、格点场论和流体力学方法，系统地研究中高能重离子碰撞中的手征电磁(涡旋)效应以及相关物理问题。具体研究的问题：建立包含手征反常的量子手征动理学和磁流体力学模型和模拟工具，结合实验进行现象学研究；利用量子动理学理论和维格纳函数研究手征费米子体系在外电磁场中的性质，如手征费米子的磁矩能、频率依赖的手征磁导率、手征反常体系的维格纳函数的高阶项等；利用格点量子色动力学数值模拟方法研究强相互作用物质在外磁场下的输运性质和相结构。

高能重离子碰撞会产生强电磁场和较大整体角动量，强作用物质在强电磁场和强涡旋场的作用下呈现出独特的性质，如与手征反常相关的手征磁效应、手征涡旋效应和手征磁波效应等，以及与整体角动量相关的强子整体自旋极化效应等。这些效应揭示出费米子在外场中的动力学特性。本项目针对中高能重离子碰撞，利用量子动理学理论与维格纳函数方法，结合流体力学方法、场论和格点规范理论，系统研究了在高能重离子碰撞中费米子系统在外场作用下呈现的各种电磁、涡旋以及自旋极化效应以及相关的其它课题。项目组共发表3篇Phys. Rev. Lett.文章，45篇Phys. Rev. A/C/D/Research系列文章，4篇JHEP，3篇Phys. Lett. B, 1篇EPJA, 4篇NPA, 1篇CPC, 3篇Nucl.Sci.Tech.。其中2篇论文被选为编辑推荐论文(PRC), 1篇被选为封面论文(CPC), 1篇特邀综述文章(Nucl.Sci.Tech.)。根据高能物理数据库，总引用数达到2200次(根据高能物理文献数据库Inspirehep统计，查询时间 2020.12.30)。在人才培养上，受项目资助(或部分资助)共有15位博士研究生获得博士学位。在学术交流方面，主办或参与组织的国际会议或活动17次，在国际会议上做特邀或大会报告36次。主要研究进展有：(a) 协变维格纳函数及其解耦定理；(b) 夸克胶子等离子体的自旋输运及超子极化；(c) 夸克胶子等离子体的涡旋场结构和自旋关联；(d) 重离子碰撞中的反常手征输运现象；(e) 格点量子色动力学研究夸克胶子等离子体的性质。