QCD手征相变及相图的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 周文豪 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 徐骏 |
| 关键词 | 手征反常效应 AMPT模型 QCD相变 (p)NJL模型 |
| 英文摘要 | 物理是一门研究物质性质的科学,其中高能原子核物理是研究尺度大约在1fm左右的科学。两个原子核经过极端高能量的加速进行碰撞,让核物质可以达到极端高温、高密等极端的状态,理论物理学家预言在此状态会存在一种新的称之为夸克胶子等离子体(Quark Gluon Plasma,QGP)的物质状态。在2000年前后,美国纽约布鲁克海文实验室下属的相对论重离子对撞机(Relativistic Heavy Ion Collider,RHIC)对可能的QGP的信号进行了测量,证实了这种物质状态的存在性,另外包括欧洲核子中心(the European Organization for Nuclear Research,CERN)下属的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)和同样位于欧洲的正在建造中的反质子和离子研究装置(Facility for Antiproton and Ion Research,FAIR)也在或将要精确测量QGP的一些性质。在这样极端的物质状态下,要想研究其性质也变得异常棘手,物理学家一方面提出了很多可能存在的QGP的性质,另一方面实验物理学家提出各种各样的观测量来验证这些猜想。由于实验上很难测得核反应末态各个粒子的坐标信息,一般我们通过粒子的动量信息来分析,例如通过各向异性流来分析粒子动量空间的集体行为等。物理学家发现在QGP中,粒子手征相变后,旁观者粒子的运动产生了极强的电磁场,若此刻左右手征粒子数不相同,那么就会产生沿着磁场方向的净电流,此现象被称之为手征磁效应(Chiral Magnetic Effect,CME)。CME存在一个名为手征分离效应(Chiral Separation Effect,CSE)的对偶效应。CME和CSE相互作用下,会引起一种被称作手征磁波(Chiral Magnetic Wave,CMW)的集体激发。通常认为磁场在沿着垂直于反应平面的方向最大,也即在这个方向上手征磁效应所产生的净电流最大,因而提出了很多可以用来判定磁场方向存在净电流和电荷分离的观测量,RHIC的STAR合作组和LHC的ALICE合作组分别在Au+Au@200Ge V的系统和Pb+Pb@2.76Te V系统中观测到了电荷分离的信号。大多数观测量只能判定是否在垂直于反应平面的方向发生电荷分离,但是也有很多所谓的背景可以产生类似的效果,例如横平面的动量守恒(Transverse Momentum Conservation,TMC)、中性共振态粒子的衰变和局域电荷守恒(Local Charge Conservation,LCC)等。LHC的CMS合作组在小系统中也观测到了类似的信号,然而通常在此系统中应不存在QGP相,这给实验观测带来了挑战。这方面对实验的测量有不同的解读,因此还存在不少争议。因为背景的存在,需要该领域的科学家,一方面提出更好的对于背景不敏感的观测量,另一方面可以设计不同的碰撞实验,例如U+U这种形变核的碰撞,以及近些年正在进行的同量异位素(核子数相同,质子数不同)实验。另一个比较热门的领域是探究强子-夸克相变中可能存在的相变临界点的信号。很多理论计算表明,在高化学势区域内,从强子气体过渡到QGP的过程或者其逆过程不是一个平滑的转变过程,而是存在一阶相变。另一方面格点QCD理论的计算结果表明,在低化学势的区域相变是连续平滑的相变。那么在连续相变和一阶相变之间可能就存在一个过渡点,也即相变临界点(Critical End Point,CEP)。为了寻找该相变点,实验上同样也提出了很多物理观测量,其一是通过诸如净电荷、净重子数和净奇异数等守恒荷的涨落来研究,这方面可通过探究守恒荷的高阶矩的乘积或比值来完成。在理论模型方面,这些高阶矩的乘积或者比值可以和磁化率的比值产生一一对应的关系。为此,STAR提出了能量扫描的实验来寻找相变临界点。在理论计算方面,由于所探究的问题是多体问题,并且格点QCD理论在高化学势的区域存在费米符号的问题,因此基于有效QCD理论及其平均场近似来研究相图成为一种行之有效的方法。另一方面,由于相对论重离子碰撞是复杂的动力学过程,因而很多输运模型和流体力学模型被提出,本文主要基于输运模型探究QGP性质。本论文研究的内容主要分如下两个方面,其一为在周期性边界条件的箱体系中模拟手征磁效应和与其相关的效应,其二是通过将Polyakov-looped Nambu-Jona-Lasinio(pNJL)模型引入到多相输运模型(A Multiphase Transport,AMPT)当中来探究QGP相变现象。本文分为如下两部分进行阐述。一、首先我们从半经典的方法推导了自旋运动学方程(Spin Equation of Motion,SEOM)和手征运动学方程(Chiral Equation of Motion,CEOM),并且从较简单的密度分布研究了手征磁波效应,从CMW方程求解出了对应的密度演化分布。我们建立了一个箱中粒子模型,它是一个具有循环边界条件的体系,在此体系中粒子数和四动量都是守恒的。我们首先探讨了在箱体系中,粒子分别满足SEOM和CEOM情况下的动力学行为。我们发现在CEOM的体系中,对于小动量粒子的运算会出现异常的现象,需要对这部分粒子做动量截断,另外两套EOM得到的沿外磁场方向的净电流大小都小于理论得出的结果,其中SEOM要小于CEOM下的结果。在变磁场的情况下,CEOM输运模拟中的电流对于磁场的变化响应很快,而SEOM输运模拟中会存在一个弛豫过程。进一步我们探究了箱体系中CMW的演化行为,通过给定一个简单的初态,引入沿磁场方向左右手征粒子数的一个正弦形式的分布,发现该分布会随着时间沿磁场方向运动。我们通过拟合该密度分布演化形式可以得到CMW的相速度和扩散系数,发现在两个EOM输运模拟中,相速度对于约化剪切粘滞系数的依赖不太明显,而扩散系数随着约化剪切粘滞系数的增大而增大,相速度和扩散系数都随着温度的增大而减小,CEOM中的相速度要高于SEOM中的相速度,SEOM和CEOM中的扩散系数随磁场的变化趋势也不相同。我们还探究了电四极矩随时间的演化,两个EOM中,电四极矩都随着磁场的增大而演化加快,并且最大值也越大,温度越低演化速度越快,但相应的衰减也越快。变磁场的情况下也存在类似电流的变化,由于SEOM中存在弛豫过程,致使SEOM中的电四极矩存在时间也较CEOM中的长。以上为手征对称性恢复的部分子相输运模拟研究。二、我们将pNJL模型引入到AMPT模型中用以描述部分子演化过程,并且设置了有限大小的矢量相互作用,可以使得正反夸克受到不同的矢量相互作用,另一方面可以利用相同的模型进行热力学计算,得到部分子的相图信息和相变临界点的位置。为了能让AMPT初态部分子的分布能够达到(p)NJL模型中的分布,我们采用了碰撞选择的方法,并且改进了碰撞模型,引入随机碰撞方法,使得碰撞数更为精确。另外在原先的AMPT模型基础上还引入了强子平均场和同时考虑坐标空间和动量空间的夸克组合模型。我们探究了部分子相和强子相中心区域粒子密度的演化,以及通过热力学结果拟合得到部分子的相图径迹。我们发现NJL或pNJL拓展的AMPT模型对正反介子、正反质子和正反介子的动量谱和RHIC-BES实验的数据都符合得较好。NJL模型中在动量截断以上的粒子不受到平均场的作用,pNJL模型中的粒子无此限制。并且pNJL模型中有Polyakov圈的贡献,使得pNJL模型中部分子冻出时间比NJL模型晚,促使在相同的冻出条件下,pNJL模型中的部分子可以受到更久的矢量势的作用。综合上述两个方面原因,pNJL模型部分子的椭圆流劈裂要比NJL模型中的大,尤其是s和(?)夸克的结果。在经过强子化和强子平均场演化后,pNJL拓展的AMPT模型末态强子椭圆流劈裂也要比NJL中的大。为了更好地拟合实验上椭圆流劈裂的数据,NJL和pNJL模型都需要在低碰撞能量下拥有大的矢量耦合系数,在高碰撞能量下拥有较小的矢量耦合系数。以上为有效QCD相图的研究。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33852]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周文豪. QCD手征相变及相图的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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