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从强子物质到夸克物质的平滑过渡和 sQGP 的结构

许明梅，喻梅凌，刘连寿华中师范大学粒子所

第十届全国粒子物理学术会议

2008-04-27 南京 报告人：许明梅

1.背景介绍

2. QCD 的平滑过渡

3. sQGP 的结构（其中包括一部分刚完成的后续工作）

4.讨论与展望

发表在 PRL 100, 092301 (2008)

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1.背景介绍

(1) 实验方面， RHIC 实验发现了强耦合的夸克胶子等离子体 (sQGP) ；

(i) 观察到了夸克自由度；

(ii) 所发现的夸克物质处于粘滞性极低的流体态。

sQGP 的微观结构？

1974 年，李政道等人预言：高能重离子碰撞能改变真空的性质，

生成 QGP 。

推动了相对论重离子碰撞的理论和实验研究。

这些结论是根据所观察到的物质的整体行为，特别是横向方位角分布得出的

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(2) 理论方面：

格点 QCD 预言： RHIC 能区，位于平滑过渡区 (cross over) ； 平衡过渡得到的夸克物质，在 强耦合。

(b) 重子化学势为零时，相互作用强度 随温度的变化。(a) 格点 QCD 关于强相互作

用物质的相图。

高温下发生平滑过渡，这已经被格点 QCD 计算可靠地得到了。平滑过渡的微观机制是什么？平滑过渡与相变的区别在哪里？

仍然是待考虑的问题。

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流行的描述碰撞演化的唯象模型－－输运模型描述平滑过渡遇到困难 困难：违背色禁闭。

(a) AMPT 模型中部分子和强子占各自多重数的比例的时间演化图。

(3) 唯象方面：

例 1：多相输运模型 AMPT

少量部分子在物理真空中运动

违反 QCD 的色禁闭

例 2：夸克分子动力学模型 qMD

目前描述平滑过渡的模型违背了色禁闭这一原则性问题，因而不能成立。

这类模型都是基于电磁等离子体平滑过渡机制的延伸。

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• 电磁等离子体

中性原子气体

然而，这一图象不能延用到 QCD ，因为 QCD 有不同的真空。

平滑过渡的物理图象？

QCD 有一条规则 : 孤立的带色荷的个体在物理真空中有无穷大能量。

原子逐个离子化

Physical vacuum

如果这是强子物质

hadrons

平滑过渡到电磁等离子体

Physical vacuum

强子逐个解散成夸克

+

这一转变过程是逐渐进行的，

两相混合，

没有分界面。

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描述 QCD 的平滑过渡的困难

QCD 有不同的真空态

—— 微扰真空 & 物理真空。

如何实现两种真空之间的转变？

就这一问题，我们注意到了另外一种模型 —— 渗滤 (percolation) ，它是一个几何模型而不是动力学模型。

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键 几何的 渗滤模型H. Satz, Nucl. Phys. A642 (1998) 130

两相邻强子间成键的概率为 p

当一个 无穷大团（横跨左右边界或上下边界的团）形成时，称系统转变到新相，系统成为色导体。

用键连接的强子形成团。

通过这种方式，从一个相到另一个相的平滑过渡就实现了。不违背 QCD 的色禁闭。

动力学模型G.Baym, Physica 96A (1979) 131

键的动力学？ 如何定义成键概率 p ?

借用低能核物理中的

Quark Delocalization and Color Screening Model

中夸克公有化的概念。

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夸克的公有化运动形成键

两强子距离较远时，夸克间是禁闭势，夸克被禁闭在单个强子内部；

当强子距离靠近时，两相邻强子间形成势垒，夸克可以隧穿势垒，做公有化运动，左边轨道的夸克有 ε的概率跑到右边轨道；

当 ε=1 时，成键，两强子结合成一个团。

键 ＝ 夸克对势垒的隧穿

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(1) 我们首次提出了分子型的强子聚集的假定

气体型

分子型

• 是实现一级相变的图象

形成理想气体，• 违反了从实验和格点 QCD 得到的强耦合 QGP 的结论；• 成为引起平滑过渡和色禁闭相矛盾的根源。

作为平滑过渡的图象

形成强耦合的液态的 QGP• 不违反色禁闭；• 所得到的 QGP 是强耦合的流体。

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平滑过渡之前

所有的强子都连接成一个大团，

gQGP

平滑过渡结束

Tc’

平滑过渡开始

开始形成无穷大团

Tc

葡萄状夸克物质 gQGP 是强耦合夸克物质 sQGP 的一种形态。

葡萄状夸克物质Grape-shape QGP (gQGP)

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(2) 简单模型－－具有动力学基础的渗滤模型

(i) 键的动力学－－ 势垒间的隧穿

当夸克 i,j 属于同一个元胞

当夸克 i,j 属于两个相邻的元胞

(a)绝热近似： S 两个核子间的距离；

(b)μ是模型参数；

(c) 变分法： ε 是表征夸克公有化程度的变分参数，由系统能量变分取极小决定；

给定的 μ

S0

当两核子间的距离 S < S0 时，夸克完全公有化。

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(ii) 用 S0 来做渗滤模型

每个元胞在离它 S0 的距离范围内任意找 3 个元胞与之成键，键把元胞连接成团。

定义： ，表示无穷大团出现的概率。

Crossover starts

Crossover ends

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Sharply tends to infinity

根据 Sc Sc’ 决定 μc ,μc’

sQGP turns to wQGP

Crossover region

根据量纲分析，假设,

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3.sQGP 的结构

(a) 平滑过渡之前； (b) 平滑过渡开始； (c) 平滑过渡结束，

gQGP开始出现。 整个系统成为 gQGP

平滑过渡形成的 sQGP 有葡萄状结构 —— gQGP 。

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径向分布函数：

表示找到两粒子相距为 r 的概率。当粒子间没有关联的时候， g(r)=1 。

gQGP 的液体性质 —— 用径向分布函数研究

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由于有化学距离 D:

Dr

定义新的径向分布函数：

是考虑到边界效应引入的修正因子。

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Start of crossover End of crossoverMiddle stage

• 第一个高峰反应的是同一个元胞中夸克间的关联；• 当温度远小于平滑过渡温度时，除了第一个峰之外，没有看到峰；• 靠近平滑过渡的时候，出现了一个鼓包，这个鼓包在 Tc 时发展成为峰，反映平滑过渡开始时，就出现了短程序；• 平滑过渡过程中，出现了越来越多的小峰， 而且关联距离越来越远，表现出降低的粘滞性。

T=0.475Tc T=0.67Tc T=0.80Tc T=0.93Tc

T=Tc T=1.21Tc T=1.31Tc T=1.39Tc

Before crossover

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4.讨论与展望

为了使从强子物质到夸克物质的平滑过渡与色禁闭相容，强子应该以分子型聚集。

基于这一假定，构建了一个简单模型，这一模型能描述强子物质向 sQGP 的平滑过渡，及 sQGP 向 wQGP 的转变。

并得到了平滑过渡结束与平滑过渡开始的温度比值，及 sQGP 向 wQGP 转变的温度与平滑过渡开始的温度比值。

模型提供了清楚的 sQGP 的结构图象 (葡萄状 gQGP) ，以及平滑过渡过程中结构的演化。

根据此模型计算了 sQGP(gQGP) 的径向分布函数 g(r) ，及平滑过渡过程中 g(r) 的演化，揭示出 gQGP 的液态行为。

小结：

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展望： 我们讨论了从低温到高温的平滑过渡。

有必要给出一个统一的动力学模型，既能描述一级相变，

又能描述平滑过渡，并能把临界点的性质描绘出来？T 增大

wQGP

HG

成团

平滑过渡开始

平滑过渡结束

平滑过渡的过程

sQGP

T 降低

平滑过渡的过程

T

μ

sQGP

wQGP

反过来，从高温到低温的平滑过渡，需要用温度场论研究。

我们正在继续努力！

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谢 谢 ！

衷心感谢王凡、平加伦教授的支持与帮助

谢谢大家！

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谢 谢 ！

衷心感谢王凡、平加伦教授的支持与帮助

谢谢大家！

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这一简单模型有待进一步改进和发展，但是我们的基本结论：

不依赖于具体模型。

平滑过渡必须通过分子型聚集来实现才不违反色禁闭； 通过分子型聚集形成葡萄状夸克物质； 葡萄状夸克物质有液体性质。