[論文レビュー] Negative moment of inertia and rotational instability of gluon plasma

V. V. Braguta, M. N. Chernodub+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 57被引用数 3

ひとこと要約

第一原理格子SU(3)ゲージ理論シミュレーションを用いて、本研究では、臨界的「スーパーバーティカル温度」$ T_s = 1.50(10)T_c $未満で剛体回転するグルーオンプラズマの等温モーメント・オブ・インertiaが負になることが明らかになった。これは剛体回転の熱力学的不安定性を示している。この不安定性はスケール異常と熱的磁気的グルーオン凝縮に起因し、カーおよびマイヤーズ・パリー黑洞における回転不安定性と顕著な類似性を示している。

ABSTRACT

Using first-principle numerical simulations of the lattice SU(3) gauge theory, we calculate the isothermal moment of inertia of the rigidly rotating gluon plasma. We find that the moment of inertia unexpectedly takes a negative value below the "supervortical temperature" $T_s = 1.50(10) T_c$, vanishes at $T = T_s$, and becomes a positive quantity at higher temperatures. The negative moment of inertia indicates a thermodynamic instability of rigid rotation. We derive the condition of thermodynamic stability of the vortical plasma and show how it relates to the scale anomaly and the magnetic gluon condensate. The rotational instability of gluon plasma shares a striking similarity with the rotational instabilities of spinning Kerr and Myers-Perry black holes.

研究の動機と目的

• 第一原理格子シミュレーションを用いて、熱的平衡状態における剛体回転グルーオンプラズマの機械的安定性を調査すること。
• 特に臨界温度 $ T_c $ 付近において、剛体回転が熱力学的に安定したままであるかどうかを特定すること。
• 解析的および数値的研究の間で予測が食い違う原因を解明すること、特に回転するQCDプラズマの臨界温度に関する矛盾を解消すること。
• 非摂動的効果、特に磁気的グルーオン凝縮とスケール異常が回転不安定性に果たす役割を調査すること。

提案手法

• 有限温度および角速度を伴う格子SU(3)ゲージ理論の第一原理数値シミュレーション。
• 共回転フレームにおける自由エネルギーの計算により、$ I = -\frac{1}{\Omega} \left( \frac{\partial F}{\partial \Omega} \right)_T $ を用いて角運動量およびモーメント・オブ・インertia を抽出する。
• 虚数周波数マツバラモードから実周波数領域への解析的接続を用いて、実時間領域における物理的観測量を抽出する。
• 直接的な回転格子計算と非回転格子からのボリューム積分法を用いた結果を比較し、解析的接続手順の妥当性を検証する。
• 熱的磁気的グルーオン凝縮およびそのプラズマの機械的応答への寄与の分析。
• スケール異常および非摂動的ゲージ場力学と関連付けることで、渦状プラズマの熱力学的安定性条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剛体回転するグルーオンプラズマが熱的平衡状態において負のモーメント・オブ・インertia を示すかどうか、そしてその条件は何か？
• RQ2 回転するグルーオンプラズマにおける負のモーメント・オブ・インertia の起源は何か？ また、非摂動的QCD効果とどのように関係しているか？
• RQ3 モーメント・オブ・インertia が消える「スーパーバーティカル温度」$ T_s $ は、脱コンfinement転移およびスケール異常とどのように関係しているか？
• RQ4 解析的および数値的アプローチが回転するQCDプラズマの臨界温度について矛盾する予測を示すのはなぜか？ また、磁気的グルーオン凝縮を考慮することでこの不一致は解消可能か？
• RQ5 グルーオンプラズマの回転不安定性は、回転するブラックホールとどの程度類似しているか？

主な発見

• 剛体回転するグルーオンプラズマの等温モーメント・オブ・インertia は $ T_s = 1.50(10)T_c $ 未満で負になり、これは剛体回転の熱力学的不安定性を示している。
• 温度 $ T = T_s $ でモーメント・オブ・インertia が消えることから、超伝導相転移に類似した臨界転移点が存在する。
• $ T_s $ 以上ではモーメント・オブ・インertia が正に戻り、剛体回転の安定性が回復する。
• 負のモーメント・オブ・インertia は、スケール異常と熱的磁気的グルーオン凝縮の相乗作用に起因し、負の機械的応答をもたらす。
• グルーオンプラズマの回転不安定性は、非摂動的量子効果によって駆動される回転するカーおよびマイヤーズ・パリー黑洞の不安定性と強く類似した定性的な類似性を示している。
• 本研究の結果により、文献に見られる矛盾する予測が解消され、理論的モデルにおいてスケール異常とグルーオン凝縮を適切に取り入れることが必要であることが示された。