从强子物质到夸克物质的平滑过渡和瞬子末态的重建及其性质的研究

摘要

上世纪七十年代，李政道等人预言：通过高能重离子碰撞，有可能在空间中形成高温高密环境，使得强子物质的状态发生改变，生成由大量解除禁闭的夸克、反夸克和胶子组成的一种全新的物质形态，称为夸克胶子等离子体(Quark Gluon Plasma——QGP)，夸克解除禁闭的过程伴随着真空的转变。这一预言，推动了相对论重离子碰撞的理论和实验研究，形成跨世纪物理学的一个主流。 在目前的相对论重离子碰撞实验中，特别是在布鲁克海汶实验室的相对论重离子对撞机BNL／RHIC上，已经看到了在比强子体积大干倍的范围内出现的夸克胶子自由度。综合实验上的各个观测量的结果，理论界和实验界普遍认为，RHIC实验已经生成了一种强耦合的夸克胶子等离子体(strongly coupled Quark Gluon Plasma，缩写为sQGP)。 强耦合QGP的发现是物理学发展中的一个有重大意义的进展。但是到现在为止，这一进展才刚开始，还远没有完成，特别是对于这一新物质形态的微观结构还完全不了解，有待理论上和实验上的进一步研究。 有限温度格点规范理论给出的QCD相图是：在低温高重子化学势区，QGP和强子物质之间是一级相变；随着温度的升高和重子化学势的降低，一级相变曲线在临界点终止；在更高温度和更低化学势条件下，QGP和强子物质之间平滑过渡(crossover)。理论估计，在RHIC(以及将来的LHC)能区，净重子化学势低，从强子物质到QGP的转变是平滑过渡。 本文首次指出：目前描述平滑过渡的模型违背了QCD的色禁闭这一原则性问题。通过分析发现，这类模型中存在的这一问题不是偶然的，而有着深刻的原因，和QCD真空的性质有直接联系。 针对这一问题，本文提出了一条基本假设：强子的聚集有“气体型”和“分子型”两种。“气体型”的强子聚集表现为，多个强子聚集在一起以后形成一个大口袋，口袋里面是部分子，口袋与外界有分界面。这是一级相变的特征。目前的输运模型所采用的真空图象是气体型，它在描述平滑过渡时是违背色禁闭的，且气体型的真空图象得到的夸克物质是弱耦合的，不符合RHIC实验观察到的和格点QCD计算得到的强耦合QGP的图象。而在“分子型”聚集中，多个强子通过成键形成团，成键后的强子称为元胞，成键的两个元胞没有融合成一个大口袋，而是保留各自的独立性，像分子中的原子，故称之为分子型聚集。通过强子的分子型聚集形成葡萄状的夸克胶子等离子体(grape-shape QGP，缩写为gQGP)是从强子物质向夸克物质平滑过渡而不违背色禁闭的正确方式，所得到的QGP也才是强耦合的流体。葡萄状的夸克胶子等离子体gQGP是强耦合夸克胶子等离子体sQGP的一种存在形式，其意思是夸克物质存在的空间是葡萄状的。 电磁作用能形成氢分子、水分子直到有机大分子是众所周知的，而强作用也能形成分子型结构是一个观念上的重大创新。我们首创地提出，通过分子型聚集形成葡萄状夸克物质gQGP。按照此图象，利用平滑过渡过程中夸克在强予之间公有化(delocalize)的动力学机制，构建了一个具有动力学基础的渗滤模型。强子间成键的本质是夸克对强子问势垒的隧穿。以此为基础，把一个与温度有关的变量作为成键的控制参量，定义了渗滤规则，建立了新的渗滤模型，成功地描述了和色禁闭相容的平滑过渡的整个过程，得到了平滑过渡开始、过渡结束和sQGP转化为wQGP三者的温度比。 本文还采用径向分布函数g(r)研究了平滑过渡过程中和gQGP形成时的物质形态，结果表明，系统向gQGP演化的过程中，表现出越来越明显的液态行为。而与这一液态行为对应的是夸克群之间由键联结的葡萄状微观结构。当温度进一步升高时，键断开，系统中的夸克以夸克群的形式存在于微扰真空中，类似于一些文献中假定sQGP中有带色的夸克束缚态的图象。 本文的主要结论是：强子可以有分子型聚集，由此形成葡萄状夸克物质，是从强子物质到夸克物质平滑过渡的、和色禁闭相容的正确方式。为了具体展示这一结论，我们构建了一个简单模型(toy model)。这一模型显示上述结论是可以实现的。所得到的物理结果，在定性上并不依赖于所用的动力学和渗滤，而完全是“分子型聚集”这一基本假设的直接结果。 夸克对势垒的隧穿可以用瞬子来描述。本文所构建的模型表明，夸克公有化或者称之为夸克隧穿，即瞬子，在QCD两相平滑过渡的过程中起了十分重要的作用。 本文研究了瞬子末态的重建及其热平衡性质，给出了一种在蒙特卡罗研究中可以使用的最佳重建方法，由这一方法重建得到的瞬子末态表现出各向同性。 本文首次提出的分子型聚集这一图象，是描述QCD的平滑过渡的正确方式。为了将这一定性的图象变为定量的描述，需要用到温度场论的工具。如何用温度场论描述元胞之间的隧穿，是一个必需首先解决的问题。进一步，把分子型聚集和气体型聚集相结合，给出一个统一的，既能描述平滑过渡，又能描述一级相变，并能把临界点的性质描绘出来的动力学模型，是值得进一步研究的课题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

第二章强相互作用物质的相及相转变

2.1 QCD真空与相转交

2.1.1真空是对称性破缺的根源

2.1.2真空的介质效应引起色禁闭

2.1.3通过真空激发实现色禁闭的解除

2.2格点QCD对相转变的预言

2.2.1重子化学势为零时QCD的状态方程

2.2.2 QCD的相图

2.3相对论重离子碰撞实验

2.3.1相对论重离子碰撞的时空演化图像

2.3.2相对论重离子碰撞的实验结果

2.4输运模型

2.4.1例1：多相输运模型(AMPT)

2.4.2例2：夸克分子动力学模型(qMD)

2.4.3输运模型的困难

第三章夸克公有化

3.1 QCD指导下的夸克模型

3.2夸克退定域-色屏蔽模型(QDCSM)

3.2.1三夸克体系(单个重子)

3.2.2六夸克体系(双重子)

第四章渗滤与夸克禁闭的解除

4.1渗滤模型的相变理论

4.1.1渗滤过程的定性描述

4.1.2渗滤模型感兴趣的量

4.1.3 临界点pc和临界现象

4.1.4连续渗滤

4.2渗滤与夸克禁闭的解除

第五章从强子物质到夸克物质的平滑过渡

5.1模型的动力学：夸克公有化

5.2模型的基本假设：分子型聚集

5.3距离渗滤(distance percolation)

5.4平滑过渡的物理图象

第六章径向分布函数在平滑过渡中的演化及sQGP的液态性质

6.1物质结构与径向分布函数

6.2两粒子关联函数的计算结果

6.3径向分布函数的计算结果

第七章在深度非弹中瞬子末态的重建及其性质

7.1瞬子末态和流喷注的重建方法的蒙特卡罗研究

7.2瞬子末态的热平衡性质

7.2.1利用Rényi熵分析IFS的热平衡性质

7.2.2利用球度分析IFS的热平衡性质

第八章讨论与展望

附录A 轨道矩阵元

参考文献

发表论文和主要会议报告列表

致谢