從強子物質到夸克物質的平滑過渡和瞬子末態(tài)的重建及其性質的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、上世紀七十年代,李政道等人預言: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,使得強子物質的狀態(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變。這一預言,推動了相對論重離子碰撞的理論和實驗研究,形成跨世紀物理學的一個主流。 在目前的相對論重離子碰撞實驗中,特別是在布魯克海汶實驗室的相對論重離

2、子對撞機BNL/RHIC上,已經(jīng)看到了在比強子體積大干倍的范圍內出現(xiàn)的夸克膠子自由度。綜合實驗上的各個觀測量的結果,理論界和實驗界普遍認為,RHIC實驗已經(jīng)生成了一種強耦合的夸克膠子等離子體(strongly coupled Quark Gluon Plasma,縮寫為sQGP)。 強耦合QGP的發(fā)現(xiàn)是物理學發(fā)展中的一個有重大意義的進展。但是到現(xiàn)在為止,這一進展才剛開始,還遠沒有完成,特別是對于這一新物質形態(tài)的微觀結構還完全不了

3、解,有待理論上和實驗上的進一步研究。 有限溫度格點規(guī)范理論給出的QCD相圖是:在低溫高重子化學勢區(qū),QGP和強子物質之間是一級相變;隨著溫度的升高和重子化學勢的降低,一級相變曲線在臨界點終止;在更高溫度和更低化學勢條件下,QGP和強子物質之間平滑過渡(crossover)。理論估計,在RHIC(以及將來的LHC)能區(qū),凈重子化學勢低,從強子物質到QGP的轉變是平滑過渡。 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真空的性質有直接聯(lián)系。 針對這一問題,本文提出了一條基本假設:強子的聚集有“氣體型”和“分子型”兩種。“氣體型”的強子聚集表現(xiàn)為,多個強子聚集在一起以后形成一個大口袋,口袋里面是部分子,口袋與外界有分界面。這是一級相變的特征。目前的輸運模型所采用的真空圖象是氣體型,它在描述平滑過渡時是違背色禁閉的,且氣體型的真空圖象得到的夸克物質是

5、弱耦合的,不符合RHIC實驗觀察到的和格點QCD計算得到的強耦合QGP的圖象。而在“分子型”聚集中,多個強子通過成鍵形成團,成鍵后的強子稱為元胞,成鍵的兩個元胞沒有融合成一個大口袋,而是保留各自的獨立性,像分子中的原子,故稱之為分子型聚集。通過強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)是從強子物質向夸克物質平滑過渡而不違背色禁閉的正確方式,所得到的QGP也才是強耦合的流體。葡萄狀的夸克

6、膠子等離子體gQGP是強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、水分子直到有機大分子是眾所周知的,而強作用也能形成分子型結構是一個觀念上的重大創(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gQGP。按照此圖象,利用平滑過渡過程中夸克在強予之間公有化(delocalize)的動力學機制,構建了一個具有動力學基礎的滲濾模型。強子間成鍵的本質是夸克對強子問勢壘的

7、隧穿。以此為基礎,把一個與溫度有關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過程,得到了平滑過渡開始、過渡結束和sQGP轉化為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形成時的物質形態(tài),結果表明,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)行為對應的是夸克群之間由鍵聯(lián)結的葡萄狀微觀結構。當溫度進一步升高時

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,類似于一些文獻中假定sQGP中有帶色的夸克束縛態(tài)的圖象。 本文的主要結論是:強子可以有分子型聚集,由此形成葡萄狀夸克物質,是從強子物質到夸克物質平滑過渡的、和色禁閉相容的正確方式。為了具體展示這一結論,我們構建了一個簡單模型(toy model)。這一模型顯示上述結論是可以實現(xiàn)的。所得到的物理結果,在定性上并不依賴于所用的動力學和滲濾,而完全是“分子型聚集”這一基本假設的直接

9、結果。 夸克對勢壘的隧穿可以用瞬子來描述。本文所構建的模型表明,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,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?,需要用到溫度場論的工具?/p>

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