[論文レビュー] Phase transitions of hadronic to quark matter at finite T and \mu_B

Benye Liu, M. Di Toro+4 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2011

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、相対論的平均場法によるバリオン物質とMITバッグ模型によるクォーク物質を組み合わせた二つの状態方程式（EoS）モデルを用いて、有限温度およびバリオン化学ポテンシャルにおけるハドロンからクォーク物質への相転移を調査した。その結果、臨界温度は主にバッグ定数に依存するが、零温度における臨界化学ポテンシャルはハドロンEoSに強く依存しており、中性子星や重イオン衝突におけるクォーク物質への転移を予測するにあたり、正確なハドロンモデルの重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

The phase transition of hadronic to quark matter and the boundaries of the mixed hadron-quark coexistence phase are studied within the two Equation of State (EoS) model. The relativistic effective mean field approach with constant and density dependent meson-nucleon couplings is used to describe hadronic matter, and the MIT Bag model is adopted to describe quark matter. The boundaries of the mixed phase for different Bag constants are obtained solving the Gibbs equations. We notice that the dependence on the Bag parameter of the critical temperatures (at zero chemical potential) can be well reproduced by a fermion ultrarelativistic quark gas model, without contribution from the hadron part. At variance the critical chemical potentials (at zero temperature) are very sensitive to the EoS of the hadron sector. Hence the study of the hadronic EoS is much more relevant for the determination of the transition to the quark-gluon-plasma at finite baryon density and low-T. Moreover in the low temperature and finite chemical potential region no solutions of the Gibbs conditions are existing for small Bag constant values, B < (135 MeV)^4. Isospin effects in asymmetric matter appear relevant in the high chemical potential regions at lower temperatures, of interest for the inner core properties of neutron stars and for heavy ion collisions at intermediate energies.

研究の動機と目的

• 有限温度およびバリオン化学ポテンシャルにおける混合ハドロン-クォーク共存相の境界を特定すること。
• バッグ定数が相転移における臨界温度および化学ポテンシャルに与える影響を評価すること。
• 低温度および有限バリオン密度におけるクォーク物質への転移を決定づけるハドロン状態方程式の役割を評価すること。
• 中性子星の内部や中エネルギー重イオン衝突に相当する条件下における非対称物質におけるスピンの効果を調査すること。

提案手法

• 定数および密度に依存するメソン-核子結合を有する相対論的有効平均場（REMF）モデルを用いてハドロン物質を記述する。
• クォーク物質はバッグ定数Bを主要パラメータとして有するMITバッグ模型によって記述する。
• 混合相の境界を決定するために、段階的平衡のギブス条件を数値的に解く。
• ハドロン系の寄与を含まないフェルミオン的超相対論的クォークガスモデルによる予測と比較することで、零化学ポテンシャルにおける臨界温度のハドロン系の寄与の役割を評価する。
• バッグ定数の範囲にわたるギブス条件の解を分析し、小さなBでは物理的解が存在しない領域を特定する。
• 非対称物質におけるスピンの効果を含め、高化学ポテンシャルおよび低温度におけるその影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バッグ定数は、零化学ポテンシャルにおけるハドロンからクォーク物質への相転移の臨界温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 零温度における臨界化学ポテンシャルは、バッグ定数よりもハドロン状態方程式にどれほど依存しているのか？
• RQ3 T–μ_B平面において、ギブス条件の物理的解が存在しない領域は存在するか？ その領域はどのような要因によって決定されるか？
• RQ4 高バリオン化学ポテンシャルおよび低温度における非対称物質におけるスピン効果は、相転移にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ハドロン系の寄与なしに、クォークガスモデルのみで臨界温度の挙動を再現できるか？

主な発見

• 零化学ポテンシャルにおける臨界温度は主にバッグ定数に依存し、ハドロン寄与なしにフェルミオン的超相対論的クォークガスモデルで良好に再現可能である。
• 零温度における臨界化学ポテンシャルはハドロン物質の状態方程式に強く依存しており、有限バリオン密度における転移を予測するにあたり、ハドロン系の正確なモデル化が不可欠であることが示された。
• 低温度・有限化学ポテンシャル領域において、バッグ定数が(135 MeV)^4未満では物理的解が存在しないため、このような転移の物理的下限が存在することが示された。
• 高化学ポテンシャルおよび低温度における非対称物質ではスピン効果が顕著となり、中性子星内部核や中エネルギー重イオン衝突において特に重要である。
• 本研究では、ハドロン状態方程式が低温度における転移境界を支配する主要要因であることを確認したが、零密度における臨界温度はバッグ定数によって支配されている。
• 小さなバッグ定数ではギブス条件の解が存在しないため、これらの条件下で安定なクォーク物質形成のためのバッグパラメータの下限が存在することが示唆された。