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?強(qiáng)子夸克相變的表面張力數(shù)值變化研究(一)
來源:物理學(xué)報(bào) 瀏覽 562 次 發(fā)布時(shí)間:2025-01-20
摘要:本文利用有限溫度場(chǎng)論和平均場(chǎng)近似的方法,在考慮夸克真空漲落的情況下,研究了兩個(gè)夸克味的夸克介子模型的量子色動(dòng)力學(xué)相變的相圖結(jié)構(gòu),得到了當(dāng)夸克化學(xué)勢(shì)密度較小時(shí),量子色動(dòng)力學(xué)相變是過渡相變,而當(dāng)夸克化學(xué)勢(shì)密度較大的時(shí)候,量子色動(dòng)力學(xué)相變是一級(jí)相變。對(duì)于一級(jí)相變的區(qū)域,基于薄壁近似,給出了當(dāng)溫度等于臨界溫度Tc時(shí),強(qiáng)子相表面張力隨夸克化學(xué)勢(shì)密度的變化關(guān)系。本研究為相對(duì)論重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)和中子星早期結(jié)構(gòu)演化提供必要的參考。
量子色動(dòng)力學(xué)是描述強(qiáng)相互作用的基本理論,可以用來描述夸克強(qiáng)子相變的動(dòng)力學(xué),特別是與量子色動(dòng)力學(xué)相變緊密相關(guān)的手征對(duì)稱性恢復(fù)和退禁閉等問題。此外,量子色動(dòng)力學(xué)相變的研究與目前正在進(jìn)行的相對(duì)論重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)和致密星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究密切相關(guān),它可以幫助人們深入理解和洞察夸克膠子等離子體的物理性質(zhì)和揭示夸克強(qiáng)子相變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。但是,量子色動(dòng)力學(xué)是非阿貝爾的規(guī)范場(chǎng)論,由于理論存在漸近自由的性質(zhì)和夸克幽禁的效應(yīng),使得在低能非微擾區(qū)域量子色動(dòng)力學(xué)的直接理論和數(shù)值計(jì)算受到了極大的限制。為了克服這一問題,在低能非微擾能區(qū),人們通常采用有效模型或者有效理論來研究量子色動(dòng)力學(xué)真空的非微擾性質(zhì)。比較常見的模型有Nambu-Jona-Lasinio(NJL)模型,夸克介子模型(the quark-meson model)和相對(duì)論平均場(chǎng)模型(the relativistic mean-field mode)等。
夸克介子模型是最簡單的純夸克模型,該模型可以用來研究量子色動(dòng)力學(xué)的手征相變動(dòng)力學(xué)機(jī)制和對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制。基于有限溫度場(chǎng)論方法,在手征極限情況下和零夸克化學(xué)勢(shì)條件下,考慮兩個(gè)夸克味的模型預(yù)言了量子色動(dòng)力學(xué)手征相變是二級(jí)相變,這一結(jié)論與基于普適性的一般結(jié)論是一致的。而當(dāng)考慮了夸克質(zhì)量不等于零的情況,模型準(zhǔn)確地預(yù)言了在夸克化學(xué)勢(shì)密度較小的區(qū)域,量子色動(dòng)力學(xué)手征相變是過渡相變,在夸克化學(xué)勢(shì)密度較大的區(qū)域,量子色動(dòng)力學(xué)手征相變是一級(jí)相變,該方面的預(yù)言與NJL模型和基于格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)的理論預(yù)言相一致。因此夸克介子模型是一個(gè)非常成功的低能有效模型。
為了從實(shí)驗(yàn)上研究高密情況下的量子色動(dòng)力學(xué)相變區(qū)域,美國的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)和正在計(jì)劃中的其他相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)都正朝著高密度和低溫的相變區(qū)域進(jìn)發(fā),并對(duì)高密、低溫相變的理論研究提出了更高的要求。一級(jí)相變區(qū)域的范圍是多少?當(dāng)溫度從相對(duì)較高的臨界溫度降到低溫的時(shí)候,一級(jí)相變的相變速度是多少?一級(jí)相變是緩慢的成核相變還是快速的亞穩(wěn)均相分解相變?諸如此類的問題,需要人們?nèi)フJ(rèn)真仔細(xì)地研究。而在這些問題中,對(duì)于夸克相和強(qiáng)子相表面張力的研究,是一個(gè)非常關(guān)鍵和核心的問題。特別是關(guān)于表面張力的數(shù)值大小,將直接影響中子星的結(jié)構(gòu)形成。
基于兩個(gè)味的夸克介子模型,研究了相對(duì)論重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中一級(jí)相變的動(dòng)力學(xué),討論了一級(jí)相變的相變表面張力、一級(jí)相變的臨界半徑和相變的成核率等問題。不過,該文獻(xiàn)在模型的計(jì)算中選取了一個(gè)非常大的夸克介子耦合常數(shù)g,使得模型在整個(gè)相變區(qū)域都是一級(jí)相變,與目前格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)和其他模型的理論預(yù)言不一致。另外,模型在具體的計(jì)算過程中,沒有考慮夸克的真空漲落和重整化效應(yīng),使得理論的預(yù)言缺乏實(shí)際可參考的價(jià)值和意義。為了解決上述兩個(gè)問題,本文選取與實(shí)驗(yàn)相一致的理論參數(shù),在考慮夸克的真空漲落和重整化效應(yīng)的基礎(chǔ)上,重新計(jì)算了兩個(gè)味道的夸克介子模型的相圖和一級(jí)相變區(qū)域的表面張力,為今后相對(duì)論重離子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)和天體物理中致密星體結(jié)構(gòu)的研究提供參考依據(jù)。
本文首先介紹兩個(gè)味的夸克介子模型,然后基于有限溫度量子場(chǎng)論方法,得到模型的有效勢(shì)能隨溫度和密度的變化關(guān)系,進(jìn)而給出模型的相圖結(jié)構(gòu)。在一級(jí)相變區(qū)域,利用薄壁(thin-wall)近似方法,計(jì)算了當(dāng)溫度等于一級(jí)相變臨界溫度時(shí),強(qiáng)子相表面張力隨化學(xué)勢(shì)密度的演變關(guān)系,為中子星結(jié)構(gòu)形成和早期演化提供必要的參考依據(jù)。