[論文レビュー] Accessibility of color superconducting quark matter phases in heavy-ion collisions

D. Blaschke, Fredrik Sandin+2 more|GSI Repository (German Federal Government)|Apr 25, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ダイクォーク対縮退とポリアコフ・ループを組み込んだポリアコフ・ループを伴うナンブ＝ヨナ＝ラシンォ（PNJL）モデルを用いた二色相色超伝導（2SC）クォーク物質相が、4–8 A GeVのエネルギーで重イオン衝突において実現可能であると提案している。UrQMD シミュレーションと、クォーク物質に PNJL、ハドロン物質に DD-RMF を用いたハイブリッド状態方程式を用いて、『ノーズ』に似た構造を持つ混合相領域と、2SC に対して高い臨界温度（T_c > 160 MeV）が得られることを特定した。これは、近い将来の CBM@FAIR および NICA@JINR 実験で検出可能なシグナルを示唆している。

ABSTRACT

We discuss a hybrid equation of state (EoS) that fulfills constraints for mass-radius relationships and cooling of compact stars. The quark matter EoS is obtained from a Polyakov-loop Nambu--Jona-Lasinio (PNJL) model with color superconductivity, and the hadronic one from a relativistic mean-field (RMF) model with density-dependent couplings (DD-RMF). For the construction of the phase transition regions we employ here for simplicity a Maxwell construction. We present the phase diagram for symmetric matter which exhibits two remarkable features: (1) a "nose"-like structure of the hadronic-to-quark matter phase border with an increase of the critical density at temperatures below T ~ 150 MeV and (2) a high critical temperature for the border of the two-flavor color superconducting (2SC) phase, T_c > 160 MeV. We show the trajectories of heavy-ion collisions in the plane of excitation energy vs. baryon density calculated using the UrQMD code and conjecture that for incident energies of 4 ... 8 A GeV as provided, e.g., by the Nuclotron-M at JINR Dubna or by lowest energies at the future heavy-ion collision experiments CBM@FAIR and NICA@JINR, the color superconducting quark matter phase becomes accessible.

研究の動機と目的

• 中間エネルギー領域における重イオン衝突で色超伝導クォーク物質相が実現可能かどうかを調査すること。
• 中性子星の質量-半径および冷却制約と整合するように、クォーク物質に PNJL、ハドロン物質に DD-RMF を用いたハイブリッド状態方程式（EoS）を構築すること。
• ダイクォーク凝縮と高い臨界温度を特徴とする 2SC 相が、現在および将来の重イオン加速器施設で探査可能かどうかを特定すること。
• チャーミカル対称性の回復と色超伝導転移を示す観測可能な実験的シグナル（例：増強された二光子およびレプトン対の不変質量スペクトル）を提案すること。

提案手法

• クォーク物質にダイクォークギャップと有限温度効果を組み込んだポリアコフ・ループを伴うナンブ＝ヨナ＝ラシンォ（PNJL）モデルを用いて、ハイブリッド状態方程式を構築した。
• ハドロン相は、密度に依存する相対論的平均場（DD-RMF）アプローチを用いてモデル化し、核の液体-気体転移を含めた。
• ハドロン相とクォーク物質の共存はマクスウェル構成を用いてモデル化され、特徴的な『ノーズ』に似た構造を持つ混合相領域が得られた。
• 中心的 Au-Au 衝突の軌道を、励起エネルギー対バリオン密度平面で UrQMD シミュレーションにより計算した。
• 2SC 相の臨界温度は PNJL モデルから評価され、ポリアコフ・ループの寄与により T_c > 160 MeV であることが示された。
• 実験的シグナルは有効場理論から導出された：チャーミカル対称性回復付近でのシグマメソンに起因する増強された二光子スペクトルと、2SC 転移付近での異常なダイクォーク-反ダイクォーク寄与に起因するレプトン対スペクトル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 A GeV 未満のエネルギーで二色相色超伝導（2SC）クォーク物質相が重イオン衝突で実現可能か？
• RQ2 ポリアコフ・ループが 2SC 相の安定化に果たす役割と、臨界温度を 150 MeV 以上に引き上げるメカニズムは何か？
• RQ3 有限温度によるクォーク圧力の抑制が、ハドロン-クォーク物質転移に『ノーズ』に似た構造を生じさせるか？
• RQ4 増強された二光子またはレプトン対の不変質量スペクトルといった実験的シグナルが、チャーミカル対称性の回復と色超伝導を示唆できるか？
• RQ5 Nuclotron-M および NICA@JINR 施設で 2SC 相およびクォークニックス相が実現可能か？また、QCD 臨界点を調べるにはどのエネルギーが必要か？

主な発見

• ポリアコフ・ループの導入により、2SC 相の臨界温度は標準的な NJL モデルよりも顕著に上昇し、160 MeV を超える。
• ハドロン-クォーク物質の相転移境界には『ノーズ』に似た構造が現れ、150 MeV 未満の温度で臨界密度が増加する。これはポリアコフ・ループのポテンシャルが有限温度でクォーク圧力を抑制するためである。
• UrQMD シミュレーションにより、中心的 Au-Au 衝突が 4–8 A GeV でハドロンと 2SC クォーク物質の混合相領域にアクセス可能であることが示され、Nuclotron-M 施設での実験的実現可能性が示唆された。
• 混合相領域は QCD 臨界点で消滅し、これは 10 A GeV を超えるエネルギーを必要とし、NICA のみがこれを達成可能である。
• 約 300 MeV の二光子不変質量スペクトルの増強は、チャーミカル対称性の回復を示す可能性がある。一方、2SC 転移付近では、異常なダイクォークプロパゲーターに起因するレプトン対スペクトルに前駆的効果が観測される。
• ダイクォークギャップとポリアコフ・ループ結合を含む PNJL モデルは、低ポリアコフ・ループ（Φ < 0.25）を示すクォークニックス相を予測し、脱コンfinementと色超伝導の共存を支持する。