QCD物质中的手征相变和介子超流

发布时间：2020-03-26 23:49

【摘要】：对物质的相以及其性质的研究是一个重要的科学问题。一个基本的物理问题是:当物质极度加热以及压缩将发生什么。在非常高的温度以及致密的情况下,强相互作用的基本自由度变为夸克和胶子。量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)——描述了夸克和胶子之间的相互作用,是强相互作用的基本理论,它也是自然界四大基本相互作用中之一,并且还是粒子物理标准模型的一部分。在低温低密的时候QCD物质的相为禁闭的强子(包括重子和介子),在高温高密的时候禁闭的强子可能转变为一个退禁闭的夸克胶子等离子体态(Quark-Gluon Plasma,QGP)。QCD物质可能存在的相以及其物理性质是当今许多研究的主题,它可以被应用到很多不同的研究领域,比如早期宇宙的演化(也称作“大爆炸”),再比如相对论重离子碰撞实验(也称作“小爆炸”)以及中子星内部的致密核物质等等。最近,新的变量(或者说参数,比如电磁场,旋转以及同位旋化学势等等)的出现使得对QCD物质性质以及相结构的研究变得越来越有趣。在本论文中,我们首先在泛函重整化群方程的框架下研究了矢量相互作用对手征相变的影响,其次在NJL模型的框架下研究了旋转对介子超流相变的影响。一方面,我们扩展了夸克介子(包含夸克、σ和π介子)模型,引入矢量介子ω耦合形式,应用泛函重整化群方程方法,研究了两味无质量QCD物质在非零温度密度下的相结构。我们不仅研究了夸克、σ和π介子的涨落,而且首次在流方程中包含了介子振幅的涨落。我们发现QCD物质在温度比较高的时候存在一个二阶相变,此时ω介子场对相边界的效应和平均场近似计算的结果极其相似,随着矢量耦合常数增大,相边界会朝着更高化学势区域移动。然而,当温度比较低的时候存在一个一阶相变,此时和高温时的情况完全相反,不管矢量耦合常数多大——当然应该在合理范围——相变线都会朝回弯曲到更低的化学势区域。根据我们泛函重整化群方程方法的结果可知,低温区域的一阶相变线是由涨落导致的,而不是像平均场近似计算中那样由夸克密度导致的,并且ω介子场的存在对极低温时的一阶相变线的影响可以忽略不计。当温度比较低的时候,对于比较小的手征序参量σσ来说,有效势对红外截断动量非常的敏感,所以红外截断对于我们确定相边界的位置就有很大的影响。连接二阶相变线和一阶相变线的点称作三相临界截点(tricriticalpoint),我们也研究了此点的行为。在泛函重整化群方程方法的结果中,该点的临界化学势对ω场的矢量耦合常数及其敏感,但是临界温度保留在一个相似的值,影响很小。另一方面,我们首次研究了整体旋转下同位旋物质中的介子超流。我们基于两味的NJL有效模型,并且引入一个整体的旋转,以此证明了旋转对同位旋物质相结构的两个非常重要的效应:旋转对标量道对凝聚的压低效应(尤其是对π介子超流区域);旋转对矢量道对凝聚的增强效应(在ρ介子超流区域)。对于温度-同位旋化学势T-μI平面的π介子超流相变相图来说,当旋转存在的时候,在高同位旋化学势区出现了一个一阶相变线,并且出现了一个新的的三相临界截点。并且我们首次得出了旋转下同位旋物质中的介子超流在ω-μI平面的相图,该相图在该平面包含了三个独特的相,分别对应于σ、π和ρ主导的区域:高同位旋化学势和低速旋转区域有一个π超流相;和高同位旋化学势和高速旋转区域有一个ρ超流相。一个二阶相变线分割了 σ主导的区域和π主导的区域,一个一阶相变线分割了 π主导的区域和ρ主导的区域,其中一个全新的三相临界截点(tri-critical point,TCP)连接它们。
【图文】：

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逦０．６５逡逑ＣＯ邋（ＧｅＶ）逡逑图１．３：温度－旋转ＣＴ邋－邋ｗ）平面的手征相变相图。摘自文献［９０］逡逑中验证这些发现。逡逑另一个有趣的情况是有限同位旋密度下的量子色动力学物质，在此系统中上夸克逡逑和下夸克密度不平衡（或者说不相等）。当同位旋化学势等于介子质量的时候（＆邋＝逡逑会出现７Ｔ凝聚，这种现象称作７Ｔ介子超流，相应的这里有一个二阶相变（如逡逑图１．４所示）。图１．４显示了温度－同位旋化学势（ｒ邋－化）平面的ｔｔ介子超流相变的逡逑相图。逡逑因此，出于若干原因研究这几种相变现象是特别令人感兴趣的。首先，它涉及逡逑在极端条件下研宄ＱＣＤ并开发其他热（温度）场理论。其次，许多科学家认为，在逡逑中子星的核心处，由于核物质密度如此之高以至于出现重叠的状态，所以系统此时逡逑应当处于夸克胶子等离子体态［２］。因为在中子星内部，温度非常小但密度或者说重逡逑子化学势非常大，因此此处真正的自由度应该是夸克和胶子。中子星在天文观测上逡逑越来越强的约束可以对夸克物质的状态方程进行测试。而且

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＾邋（；Ａ逦９２｛ｆｊ）邋４ｔｔ邋／邋ＡｌｎＬ＼逡逑ａＭ邋＝邋＾ｒ邋＝邋Ｍ｛邋￣Ｗ＾）逦（）逡逑其中Ｌ邋＝邋Ｉｎ逦Ａ0ｃＤ？邋２００邋ＭｅＶ是ＱＣＤ紫外动量截断。ＱＣＤ跑动耦合常数的行逡逑为展示在图２．＾中。在高能量的时候——也意味着小距离的时候——夸克与夸克之间逡逑的相互作用非常小，，也因此微扰理论可以在此时得以适用。然而在低能量的时候一－逡逑８逡逑
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O572.243

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