從強(qiáng)子物質(zhì)到夸克物質(zhì)的平滑過渡和瞬子末態(tài)的重建及其性質(zhì)的研究.pdf

1、上世紀(jì)七十年代，李政道等人預(yù)言：通過高能重離子碰撞，有可能在空間中形成高溫高密環(huán)境，使得強(qiáng)子物質(zhì)的狀態(tài)發(fā)生改變，生成由大量解除禁閉的夸克、反夸克和膠子組成的一種全新的物質(zhì)形態(tài)，稱為夸克膠子等離子體(Quark Gluon Plasma——QGP)，夸克解除禁閉的過程伴隨著真空的轉(zhuǎn)變。這一預(yù)言，推動(dòng)了相對(duì)論重離子碰撞的理論和實(shí)驗(yàn)研究，形成跨世紀(jì)物理學(xué)的一個(gè)主流。 在目前的相對(duì)論重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中，特別是在布魯克海汶實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)論重離

2、子對(duì)撞機(jī)BNL／RHIC上，已經(jīng)看到了在比強(qiáng)子體積大干倍的范圍內(nèi)出現(xiàn)的夸克膠子自由度。綜合實(shí)驗(yàn)上的各個(gè)觀測(cè)量的結(jié)果，理論界和實(shí)驗(yàn)界普遍認(rèn)為，RHIC實(shí)驗(yàn)已經(jīng)生成了一種強(qiáng)耦合的夸克膠子等離子體(strongly coupled Quark Gluon Plasma，縮寫為sQGP)。 強(qiáng)耦合QGP的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)有重大意義的進(jìn)展。但是到現(xiàn)在為止，這一進(jìn)展才剛開始，還遠(yuǎn)沒有完成，特別是對(duì)于這一新物質(zhì)形態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)還完全不了

3、解，有待理論上和實(shí)驗(yàn)上的進(jìn)一步研究。 有限溫度格點(diǎn)規(guī)范理論給出的QCD相圖是：在低溫高重子化學(xué)勢(shì)區(qū)，QGP和強(qiáng)子物質(zhì)之間是一級(jí)相變；隨著溫度的升高和重子化學(xué)勢(shì)的降低，一級(jí)相變曲線在臨界點(diǎn)終止；在更高溫度和更低化學(xué)勢(shì)條件下，QGP和強(qiáng)子物質(zhì)之間平滑過渡(crossover)。理論估計(jì)，在RHIC(以及將來的LHC)能區(qū)，凈重子化學(xué)勢(shì)低，從強(qiáng)子物質(zhì)到QGP的轉(zhuǎn)變是平滑過渡。 本文首次指出：目前描述平滑過渡的模型違背了QCD的

4、色禁閉這一原則性問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，這類模型中存在的這一問題不是偶然的，而有著深刻的原因，和QCD真空的性質(zhì)有直接聯(lián)系。 針對(duì)這一問題，本文提出了一條基本假設(shè)：強(qiáng)子的聚集有“氣體型”和“分子型”兩種?！皻怏w型”的強(qiáng)子聚集表現(xiàn)為，多個(gè)強(qiáng)子聚集在一起以后形成一個(gè)大口袋，口袋里面是部分子，口袋與外界有分界面。這是一級(jí)相變的特征。目前的輸運(yùn)模型所采用的真空?qǐng)D象是氣體型，它在描述平滑過渡時(shí)是違背色禁閉的，且氣體型的真空?qǐng)D象得到的夸克物質(zhì)是

5、弱耦合的，不符合RHIC實(shí)驗(yàn)觀察到的和格點(diǎn)QCD計(jì)算得到的強(qiáng)耦合QGP的圖象。而在“分子型”聚集中，多個(gè)強(qiáng)子通過成鍵形成團(tuán)，成鍵后的強(qiáng)子稱為元胞，成鍵的兩個(gè)元胞沒有融合成一個(gè)大口袋，而是保留各自的獨(dú)立性，像分子中的原子，故稱之為分子型聚集。通過強(qiáng)子的分子型聚集形成葡萄狀的夸克膠子等離子體(grape-shape QGP，縮寫為gQGP)是從強(qiáng)子物質(zhì)向夸克物質(zhì)平滑過渡而不違背色禁閉的正確方式，所得到的QGP也才是強(qiáng)耦合的流體。葡萄狀的夸克

6、膠子等離子體gQGP是強(qiáng)耦合夸克膠子等離子體sQGP的一種存在形式，其意思是夸克物質(zhì)存在的空間是葡萄狀的。 電磁作用能形成氫分子、水分子直到有機(jī)大分子是眾所周知的，而強(qiáng)作用也能形成分子型結(jié)構(gòu)是一個(gè)觀念上的重大創(chuàng)新。我們首創(chuàng)地提出，通過分子型聚集形成葡萄狀夸克物質(zhì)gQGP。按照此圖象，利用平滑過渡過程中夸克在強(qiáng)予之間公有化(delocalize)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，構(gòu)建了一個(gè)具有動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的滲濾模型。強(qiáng)子間成鍵的本質(zhì)是夸克對(duì)強(qiáng)子問勢(shì)壘的

7、隧穿。以此為基礎(chǔ)，把一個(gè)與溫度有關(guān)的變量作為成鍵的控制參量，定義了滲濾規(guī)則，建立了新的滲濾模型，成功地描述了和色禁閉相容的平滑過渡的整個(gè)過程，得到了平滑過渡開始、過渡結(jié)束和sQGP轉(zhuǎn)化為wQGP三者的溫度比。 本文還采用徑向分布函數(shù)g(r)研究了平滑過渡過程中和gQGP形成時(shí)的物質(zhì)形態(tài)，結(jié)果表明，系統(tǒng)向gQGP演化的過程中，表現(xiàn)出越來越明顯的液態(tài)行為。而與這一液態(tài)行為對(duì)應(yīng)的是夸克群之間由鍵聯(lián)結(jié)的葡萄狀微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)

8、，鍵斷開，系統(tǒng)中的夸克以夸克群的形式存在于微擾真空中，類似于一些文獻(xiàn)中假定sQGP中有帶色的夸克束縛態(tài)的圖象。 本文的主要結(jié)論是：強(qiáng)子可以有分子型聚集，由此形成葡萄狀夸克物質(zhì)，是從強(qiáng)子物質(zhì)到夸克物質(zhì)平滑過渡的、和色禁閉相容的正確方式。為了具體展示這一結(jié)論，我們構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單模型(toy model)。這一模型顯示上述結(jié)論是可以實(shí)現(xiàn)的。所得到的物理結(jié)果，在定性上并不依賴于所用的動(dòng)力學(xué)和滲濾，而完全是“分子型聚集”這一基本假設(shè)的直接

9、結(jié)果。 夸克對(duì)勢(shì)壘的隧穿可以用瞬子來描述。本文所構(gòu)建的模型表明，夸克公有化或者稱之為夸克隧穿，即瞬子，在QCD兩相平滑過渡的過程中起了十分重要的作用。 本文研究了瞬子末態(tài)的重建及其熱平衡性質(zhì)，給出了一種在蒙特卡羅研究中可以使用的最佳重建方法，由這一方法重建得到的瞬子末態(tài)表現(xiàn)出各向同性。 本文首次提出的分子型聚集這一圖象，是描述QCD的平滑過渡的正確方式。為了將這一定性的圖象變?yōu)槎康拿枋觯枰玫綔囟葓?chǎng)論的工具。