[論文レビュー] Identifying the presence of the critical end point in QCD phase diagram by higher order susceptibilities

Wenkai Fan, X. Luo+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 44被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、QCD臨界端点（CEP）と急速な転移との区別を図るため、Nambu-Jona-Lasinio（NJL）モデルを用いて、高次のバリオン数感受率（8次まで）を密度の高いクォーク物質で調査した。両者の状況でフラクチュエーションの符号パターンは類似しているが、CEPでは相転移境界付近で著しく大きな信号の大きさを示す。これは、実験的にCEPを同定するには、複数の凍結曲線にわたる測定が不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

For the first time, we investigate susceptibilities of dense quark matter up to $8$th order using an effective model. Generally higher order susceptibilities will have more sign changes and larger magnitude, thus should give more information about the presence and location of the conjectured QCD critical end point (CEP). Two cases are studied, one with the CEP and one being crossover phase transition throughout the QCD phase diagram. It is found that a rapid crossover transition can also give similar sign pattern as the case with the CEP and yield large signal. We propose that using several kinds of ions for collision to search for a wider range on the QCD phase diagram may help.

研究の動機と目的

• 高次のバリオン数感受率（8次まで）が、QCD相図におけるQCD臨界端点（CEP）の存在を急速な転移と区別できるかを明らかにすること。
• 有効クォーク模型を用いて、CEP付近の臨界現象に高次のフラクチュエーション（8次まで）がどのように敏感に反応するかを評価すること。
• 現在または将来の保存電荷フラクチュエーションに関する実験データが、CEPの存在を信頼性を持って示唆できるかを評価すること。
• 異なるイオン衝突から得られる複数の凍結曲線にわたるフラクチュエーション測定によって、CEPの同定が可能かどうかを検討すること。
• CEPを有するモデルとないモデルとの間で、符号の変化と振幅スケーリングの両面から信号パターンと大きさを比較すること。

提案手法

• スカラー、ベクトル、t’Hooft相互作用を含む3フレーバーのNambu-Jona-Lasinio（NJL）モデルを用い、QCD相転移付近の高密度クォーク物質を記述する。
• 平均場近似を用いて、バリオン化学ポテンシャルと温度を変化させた下での構成クォーク質量および化学ポテンシャルの自己無撞撃方程式を導出する。
• CEPを有する場合（ベクトル結合定数がゼロ）とない場合（非ゼロのベクトル結合定数、結果としてクロスオーバーのみ）の2つの状況において、高次のバリオン数感受率（8次まで）を計算する。
• 特に一次相転移線およびクロスオーバーライン付近で、感受率の符号パターンと大きさのスケーリングを相図全体で分析する。
• 感受率の大きさが閾値（5^n および 10^n）を超える領域をマッピングし、実験的に検出可能な信号強度を特定する。
• 両者の状況において、相転移境界を越えて符号反転と信号増大の挙動を比較し、区別可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高次のバリオン数感受率（8次まで）は、QCD臨界端点と急速な転移を区別できるか？
• RQ2 CEPとクロスオーバー相転移の間で、高次のフラクチュエーションの符号パターンに顕著な差があるか？
• RQ3 高次のフラクチュエーションにおける大きな信号の大きさは、CEPの特徴として利用できるか？あるいは、急速なクロスオーバーでも同様の大きさの信号が得られるか？
• RQ4 複数の凍結曲線にわたるフラクチュエーション測定が、CEPの特定にどの程度寄与できるか？
• RQ5 CEPの有無にかかわらず、高次の感受率における符号変化の回数は、相転移境界付近でどのように変化するか？

主な発見

• 高次のバリオン数感受率の符号パターンは、CEPとクロスオーバーの両ケースで、特に相転移境界付近では本質的に類似しており、符号解析だけでは両者を区別することはできない。
• CEPケースでは、臨界端点付近で信号の大きさが急激に増大し、広範囲にわたり10^nを超える感受率の大きさを示すが、クロスオーバーケースでは僅かで局所的な信号にとどまる。
• CEPシナリオでは、一次相転移線を越えて、感受率比の符号反転回数が順次増加する傾向を示し、クロスオーバーとはトポロジカルに異なる特徴を示す。
• クロスオーバーケースでは、クロスオーバーラインに沿って高次に進むにつれて符号反転が増加するが、これは符号反転解析だけではCEPを信頼性高く同定できないことを示唆している。
• 急速なクロスオーバー転移も、CEP付近で期待されるのと同程度の大きな信号の大きさを示す可能性があるため、信号の大きさだけでは臨界性の明確な指標とはならない。
• 本研究は、CEPの位置を特定する際の不確実性を低減するため、異なるイオン種からの複数の凍結曲線にわたるフラクチュエーション測定が不可欠であると結論づける。これは、信号の増大が相転移境界に近づくにつれて追跡可能になるからである。