论文摘要
量子色动力学（Quantum Chromodynamics,QCD）是描述夸克胶子之间强相互作用的基本规范场理论。格点QCD计算表明在高温和零重子数密度的条件下强子到夸克的相变是连续相变。对于有限重子数密度情况,虽然格点QCD计算会遇到费米符号问题,但是基于一些有效理论模型的研究,例如NJL模型（Nambu-Jona-Lasinio model）和其拓展模型,其结果表明强子-夸克相变过程中在净重子数密度比较大的情况下会出现一级相变。研究QCD物质的相结构和寻找QCD一级相变和连续相变在相边界处的过渡点（临界点）是相对论重离子碰撞实验的基本目标之一。位于美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）在过去几年的运行中通过能量扫描（Beam-Energy Scan,BES）来寻找相变临界点信号,也揭示了许多在高温高密的情况下的夸克物质强相互作用的特征。此外,在自然环境中致密星体的观测和其结构的研究为我们探索高重子数密度和低温条件下的夸克物质相互作用提供了另一种有效途径。在重离子碰撞的高能物理实验中,会产生夸克物质或者夸克胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma,QGP）,其中夸克物质的u、d夸克及其反粒子的数量是不同的,也就是说,实验中形成的夸克物质具有同位旋不对称性。在致密星体方面,星体内部的u、d夸克的同位旋不对称度（isospin asymmetry）可能会更大。因此,探索夸克物质的同位旋相关的性质对我们理解强子夸克物质相变的同位旋依赖性、RHIC高能物理实验中部分子动力学的同位旋效应、以及致密星体的性质有着十分重要的意义。本文基于NJL模型通过夸克物质相图及对称能、同位旋效应对重子和电荷涨落的影响、致密星体中夸克物质相互作用以及π介子椭圆流劈裂等方面对夸克物质的同位旋矢量的相互作用展开研究。在夸克物质相图方面,根据NJL的手征对称性破缺性质,以夸克凝聚（quark condensates）作为序参量,在化学势和温度的二维平面内得到了QCD手征相变的相图。根据相图的分析,我们可以知道在高温高化学势区域夸克物质以自由形式存在,随着温度和化学势的降低,由于手征对称性自发破缺,形成夸克凝聚,发生手征相变。在高温和低化学势的区域夸克到强子会发生连续相变,而在低温和高化学势的区域则会出现一级相变,同时我们也得到一级相变和连续相变的临界点（μ=354MeV,T=45MeV）。引入同位旋矢量相互作用后,QCD相图中u、d夸克的手征相变的一级相变的相边界和相变临界点可能会发生分离。除了手征对称性以外,量子色动力学有两个重要特性:一个是渐近自由,另一个就是色禁闭。当强相互作用的动量标度增大时,强相互作用的耦合常数（αs）会趋于零,在这一过程中会发生强子物质到夸克物质的解禁闭相变。因此,我们引入Polyakov圈（Polyakov-loop）势能来扩展NJL模型,也就是pNJL模型（Polyakov-loop extended Nambu-Jona-Lasinio model）,以Polyakov圈作为序参量描述了夸克物质禁闭和解禁的这一相变过程。由pNJL模型得到相图有两个重要特征:其一,手征相变临界点的温度较NJL模型有很大的提升,其临界点的温度达到T=97MeV;其二,禁闭和解禁的相变不受同位旋效应的影响。重离子碰撞实验上,通过化学冻出线附近守恒量子数（重子数和电荷数）的高阶涨落,寻找QCD临界点的信号。为此,我们通过pNJL模型的磁化率计算,包括三阶（skewness）和四阶（kurtosis）磁化率,分析了临界点附近守恒量子数的高阶涨落。其结果表明在同位旋效应作用下,重子数和电荷数的磁化率的峰值向低温或者低能区附近移动,而电荷数的磁化率随着温度变化可能会出现多个极值点。最近,STAR合作组通过能量扫描（BES）的实验来寻找QCD临界点信号的同时,也观测到许多有趣的实验结果,比如,质子和反质子、K+和K-、以及π+和π-等正反粒子的椭圆流（elliptic flow,v2）劈裂。其中,质子和反质子以及K+和K-的椭圆流劈裂可以通过其不同的强子及部分子的矢量平均场势能进行有效地解释。而我们通过拓展的多相输运模型（an extended multiphase transport model,AMPT model）,在有限重子数密度或夸克化学势下,引入部分子的同位旋依赖的平均场势,可以有效地解释π介子椭圆流劈裂的实验结果。在丰中子或者丰d夸克的物质中,由于同位旋矢量的相互作用,d（ˉu）会受到排斥势的作用,而u（ˉd）则会受到吸引势的作用。通过夸克合并（quark coalesence）形成的π介子,就会使得π-椭圆流的增加和π+椭圆流的减小,从而可以有效地解释π介子椭圆流劈裂的实验结果。最后,对于致密星体的研究,我们利用NJL模型讨论了矢量相互作用和同位旋矢量相互作用对奇异夸克星中夸克物质的状态方程的影响。我们发现夸克物质的状态方程敏感于矢量的相互作用,矢量相互作用会使得冷密夸克物质的物态方程变更硬,而同位旋矢量相互作用也会使夸克物质的状态方程轻微变硬,其中矢量-同位旋矢量相互作用的效应主要在高密度区域,而标量-同位旋矢量相互作用的效应在低密度区域（小于2倍饱和密度）。此外我们也可以知道,更硬的状态方程对应于一个更大质量的星体,该星体的潮汐形变系数也会更大。根据天体和引力波（GW170817）事件观测得到的星体半径和潮汐形变的约束,并且在综合考虑矢量、同位旋矢量相互作用的贡献之后,我们给出了能描述两倍太阳质量奇异夸克星的各个相互作用参数取值空间。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 刘鹤
导师: 徐骏
关键词: 模型,同位旋矢量相互作用,相图,临界点,高阶涨落,椭圆流劈裂,对称能,状态方程,质量半径关系,潮汐形变
来源: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
分类号: O572.33
DOI: 10.27585/d.cnki.gkshs.2019.000003
总页数: 108
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标签：模型论文; 同位旋矢量相互作用论文; 相图论文; 临界点论文; 高阶涨落论文; 椭圆流劈裂论文; 对称能论文; 状态方程论文; 质量半径关系论文; 潮汐形变论文;