有限温有限密强相互作用物质相结构的研究

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量子色动力学(QCD)给出了组成我们世界的基本粒子强相互作用的动力学描述。在QCD的框架下,微观强相互作用物质表现出多种多样的相结构。在微观尺度下高能标的物理现象对应着早期宇宙的信息,强相互作用物质相结构及相变的研究为我们揭示早期宇宙的构成及其演化提供了一个重要的途径。在现实世界的低温低密环境中,强相互作用表现出手征对称性动力学破缺(DCSB)和色禁闭两大非微扰特征,而伴随着温度和密度升高,强相互作用物质发生从手征对称性动力学破缺到恢复、色禁闭到色退禁闭的相变过程。各种有效模型、基于连续场论的Dyson-Schwigner(DS)方程和泛函重整化群方法、基于离散场论的格点QCD方法等多种方法被发展起来用以研究QCD的非微扰性质以及有限温度有限密度环境下强相互作用物质(核物质)的相变。  在核物质的相及相变的研究中,人们已知的结论和未知的问题都可以从以温度密度为坐标的相图中反映出来。这些理论研究的热点主要归结于几个方面。在本文中,我们对其中两个主要问题,即,手征相变与色禁闭相变的关系以及相图中临界终点的位置进行了具体研究。  非微扰QCD有手征对称性动力学破缺和色禁闭两大特征,但这两大特征并不是独立的,因两大特征的关联核物质呈现出不同的相结构。但是人们目前对于色禁闭的动力学机制并不清楚,因此无法直接从动力学层面给出手征对称性动力学破缺和色禁闭的关系。不过,以纯规范场的Polyakov圈为代表的与Z(3)(SU(3)的中心)对称性及其破缺相联系的物理学量可以用来描述色禁闭,并且Polyakov圈的真空期望值为零意味着夸克反夸克对之间自由能为无穷大,从而为色禁闭提供了一个很好的解释。对于有限温度有限密度(化学势)情况,人们已经提出了温度依赖的Polyakov圈有效势模型。在本文中,我们将提出一个包含夸克化学势效应的Polyakov圈有效势。采用这一由改进的Polyakov圈有效势而扩展的Nambu-jona-Lasinio(IPNJL)模型,我们研究了有限温度有限密度下手征相变与色禁闭相变的关系。首先,与传统PNJL模型以及大Nc理论不同,在我们的模型中,色禁闭相变在低温大化学势情况下的相变级次为一级,从而产生了一个对应色禁闭相变的临界终点,该结论与DS方程通过求解胶子方程得到的结果一致;其次,我们发现在低温大化学势情况下,手征对称性恢复相变与色退禁闭相变几乎同时发生;第三,虽然在我们的计算中两个临界终点位置不完全重合,但两者之间的差别不敏感依赖于我们新引进的表征色禁闭作用力程的参数;最后,鉴于在低密有限温度区域系统相变实际上为在温度方向持续很长的连续过渡,两种类型的相变实际上是重合的。基于这些结果,我们认为,在整个温度密度平面上,手征相变和色禁闭相变都是一致的,不存在明显的先后顺序。  临界终点是区分一级相变和连续过渡(或高级相变)区域的一个特殊状态,其存在性和具体位置是检验理论是否正确的重要依据。对于QCD相变的临界终点,目前理论上不同方法给出的结论差异很大,实验也没有确定其位置。这其中很大部分原因是由于多种模型方法不能完全反映QCD的非微扰信息,而格点QCD方法因为有符号问题而无法应用于很大化学势情况。这就需要我们采用更加现实的连续场论方法给出精确定量的计算,为实验上开展低能量扫描提供有价值的参考。在这种情况下,我们采用基于连续场论的QCD的DS方程方法加在考虑了温度效应的两种胶子模型下计算了有限温度有限密度下的夸克数密度涨落及其三阶和四阶矩,并依据涨落信息确定了临界终点的位置。之所以考察夸克数密度涨落,是因为涨落在临界终点附近与关联长度密切相关,因而在临界终点附近会因关联长度趋于无穷出现明显的物理效应,同时涨落直接对应实验观测统计量,相比其他序参量,它(们)与实验最为接近。我们发现,在DS方程下,基于涨落判据得出的临界终点的化学势与温度都约为120 MeV(且μE/TE~1),并且该结论与我们采用的胶子模型在深红外的细节关系不大。但是临界终点的位置与相互作用的细节,如相互作用强度和相互作用宽度的不同有密切关系,并具体说明目前的不同方法给出差异甚大的μE/TE的原因是这些方法反映的禁闭作用历程相差甚大。我们还根据统计模型方法给出的强子化学析出的温度和化学势与碰撞实验质心系能量间的关系,给出了不同重离子碰撞质心系能量形成的物质的强子化学析出点的涨落,并将结果转化为实验统计量偏度和峭度随束流能量间的关系。我们发现偏度和峭度在某个能量区间表现出明显的非单调行为,这种非单调行为正是临界终点的信号。根据我们的结果,我们认为临界终点很可能位于由质心系能量√SNN≈11 GeV或稍高的碰撞实验实现的重离子碰撞形成的物质状态。这或许能为寻找临界终点而进行的重离子碰撞的低能量扫描实验提供一些有意义的参考。
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