[論文レビュー] Isospin dependence of the critical quark-deconfinement densities

M. Di Toro, A. Drago+2 more|ArXiv.org|Oct 16, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、MITバッグ模型およびクォーカー物質のカラーディエレクトリック模型（CDM）を用い、相対論的核物質状態方程式と組み合わせて、クォークの脱コンfinement臨界密度のアイソスピン依存性を調査する。放射線ビーム実験で達成可能なプロトン分率Z/A ≈ 0.3–0.4の領域において、臨界密度が急激に低下し、対称核物質の飽和密度に近づくことが判明した。これは、地上実験でウィッテン＝ボーディマー仮説の検出可能な信号が得られることを示唆している。

ABSTRACT

We explore the dependence of the critical density, separating hadronic matter from a mixed phase of quarks and hadrons, on the ratio $Z/A$. We use both the MIT bag model and the Color Dielectric Model to describe the quark dynamics, while for the hadronic phase we employ various relativistic equations of state. We find that, if the parameters of quark models are fixed so that the existence of quark stars is allowed, then the critical density drops dramatically in the range $Z/A \sim $ 0.3--0.4. Moreover, for $Z/A \sim $ 0.3 the critical density is only slightly larger than the saturation density of symmetric nuclear-matter. This opens the possibility to verify the Witten-Bodmer hypothesis on absolute stability of quark matter using ground-based experiments in which neutron-rich nuclei are tested.

研究の動機と目的

• 中性子過剰核物質におけるクォーク-ハドロン相転移の臨界密度が、アイソスピン非対称性（Z/A）にどのように依存するかを調査すること。特にZ/A ≈ 0.3–0.4の範囲を対象とする。
• 中性子過剰放射線ビームを用いた実験が、奇妙クォーク物質の絶対安定性仮説（ウィッテン＝ボーディマー仮説）を検証可能かどうかを評価すること。
• 中性子過剰核に相当する条件下で、臨界密度が顕著に低下するかを特定し、中間エネルギー重イオン衝突における混合相のシグナルを検出可能かどうかを評価すること。
• エキゾチック核（例：132Sn）の半中央衝突において、集団的運動量や熱化の前兆信号が、脱コンフィnementの前触れとして観測可能かどうかを評価すること。
• 中性子過剰物質におけるクォーククラスター形成の増強が、EMC効果におけるアイソスピン依存性を説明できるかを検証すること。

提案手法

• クォーク物質を記述するために、MITバッグ模型およびカラーディエレクトリック模型（CDM）を用い、ウィッテン＝ボーディマー仮説を満たすようにパラメータを調整（B^{1/4} ≈ 150 MeV）。
• 相対論的平均場モデル（GM1, GM2, GM3）を用い、高密度における対称性エネルギーを高めるために、電荷を持つスカラーδメソンの結合を拡張して導入。
• 132Sn + 132Sn衝突を、1 A.GeVおよび300 A.MeVのエネルギーで、相対論的輸送コードを用いて半中央衝突をシミュレートし、密度および運動量の時間発展を追跡。
• 衝突過程における(ρ, Z/A)位相空間の経路を追跡し、系が混合相領域に入っているかどうかを特定。
• 高密度における局所的熱化の確認のため、核子運動量分布の四極モーメントをモニタリング。
• 集団的運動量および状態方程式の軟化が、早期の脱コンフィnementの実験的シグナルとして役立つ可能性を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子過剰物質におけるクォーク-ハドロン相転移の臨界脱コンフィnement密度は、プロトン分率Z/Aにどのように依存するか？
• RQ2 Z/A ≈ 0.3–0.4の領域で、臨界密度が中間エネルギー重イオン実験において十分に低下するか？
• RQ3 アイソスピン非対称性が臨界密度をどのように低下させるか、またウィッテン＝ボーディマー仮説（クォーク物質の絶対安定性）とどのように関連するか？
• RQ4 中性子過剰核の半中央衝突において、集団的運動量や熱化ダイナミクスから、クォーク-ハドロン混合相の前兆信号を観測可能か？
• RQ5 臨界密度のアイソスピン依存性は、仮想マルチクォークバッグ形成を介して、中性子過剰核におけるEMC効果と相関するか？

主な発見

• Z/A ≈ 0.3–0.4の範囲では、臨界脱コンフィnement密度が著しく低下し、対称核物質の飽和密度（ρ₀ ≈ 0.16 fm⁻³）に近づく。
• 300 A.MeVの132Sn + 132Sn衝突では、Z/A ≈ 0.38の条件下で混合相領域に到達し、最大密度における四極モーメントが90%低下することで、完全な熱化が確認された。
• Z/A ≈ 0.3では、臨界密度がρ₀よりもわずかに大きいにとどまるため、強いアイソスピン依存性が、実験で脱コンフィnementを観測する可能性を高めていることが示された。
• N=82またはN=126近辺の中性子過剰核（Z/A ≈ 0.32–0.33）を用いることで、将来の放射線ビーム施設で低Z/A領域を効果的に探査できる可能性がある。
• 高アイソスピン非対称性におけるハドロン状態方程式の軟化は、集団的運動量を介して検出可能であり、混合相転移の実験的シグナルとしての可能性を示している。
• 本結果は、中間エネルギーのエキゾチック中性子過剰核衝突を用いた地上実験でウィッテン＝ボーディマー仮説を検証可能であることを支持している。