[論文レビュー] Static quark anti-quark interactions at zero and finite temperature QCD. II.Quark anti-quark internal energy and entropy

Olaf Kaczmarek, F. Zantow|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2005

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、2フラバーQCDにおける有限温度下でのクォーク-反クォーク内部エネルギーとエントロピーを、格子QCDシミュレーションを用いて計算している。両観測量は、脱コンfinement転移温度で急激なピークを示し、これは一次相転移ではなく連続的転移（クロスオーバー）を示唆する。また、内部エネルギーの結果から、クォークン状態がT_c付近でも束縛状態を保つ可能性があり、自由エネルギーモデルが予測するよりも高い温度で解体が起こることが示唆される。

ABSTRACT

We analyze the change in free energy, internal energy and entropy due to the presence of a heavy quark anti-quark pair in a QCD heat bath. The internal energies and entropies are introduced as intensive observables calculated through thermal derivatives of the QCD partition function containing additional static color sources. The quark anti-quark internal energy and, in particular, the entropy clearly signal the phase change from quark confinement below and deconfinement above the transition and both observables are introduced such that they survive the continuum limit. The intermediate and large distance behavior of the energies reflect string breaking and color screening phenomena. This is used to characterize the energies which are needed to dissolve heavy quarkonium states in a thermal medium. Our discussion supports recent findings which suggest that parts of the quarkonium systems may survive the phase transition and dissolve only at higher temperatures.

研究の動機と目的

• 有限温度QCDにおけるクォーク-反クォーク内部エネルギーとエントロピーを、強度的でゲージ不変な観測量として定義・計算すること。
• これらの熱力学的量がQCDの脱コンフィネメント遷移クロスオーバーを、特に臨界温度T_c近辺でどのように反映するかを調査すること。
• 内部エネルギーとエントロピーの振る舞いを、クォーク-反クォーク自由エネルギーと比較し、特にクォークン束縛と解体に関する考察を行うこと。
• 内部エネルギーに基づく有効ポテンシャルが、クォーク-グルーオンプラズマ内でのクォークン状態の生存に与える影響を評価すること。
• 内部エネルギーとエントロピーが連続極限で適切に定義されており、相転移を明確に示していることを確立すること。

提案手法

• ポリakovループ相関関数を介して、QCD分配関数の熱的微分から内部エネルギーとエントロピーを導出。静的クォーク-反クォーク源を伴う。
• 2フラバーの動的クォークを含む格子QCDシミュレーションを用い、静的源が存在する状況下でのウィルソン線演算子の期待値を計算。
• 熱力学的関係式U = F + TSに基づき、エントロピーSをFに関する微分で得ることで、ゲージ不変で温度依存の内部エネルギーとエントロピーを定義。
• これらの観測量の長距離挙動を分析し、低温ではストリングブレイキング、高温では色スクリーニングを特定。
• 自由エネルギーと内部エネルギーの両方から有効ポテンシャルを構築し、クォークン束縛エネルギーとその温度依存性を推定。
• 完全QCD（動的クォークを含む）とクェンチドQCDを比較し、相転移構造と熱力学的特異点における差を焦点に置く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォーク-反クォークペアの内部エネルギーとエントロピーは、QCDの脱コンフィネメントクロスオーバー領域でどのように振る舞うか？
• RQ2 有限温度QCDにおけるコンフィネーションと脱コンフィネーションの相を区別するにあたり、エントロピーが果たす役割は何か？
• RQ3 内部エネルギーに基づく有効ポテンシャルは、クォークン状態の束縛エネルギーと解体温度の予測にどのように影響を与えるか？
• RQ4 完全QCDにおいて、内部エネルギーとエントロピーは自由エネルギーとどのように異なり、QCD相転移を示すか？
• RQ5 自由エネルギーではなく内部エネルギーを用いた有効ポテンシャルモデルで、クォークン状態が相転移を通過する際にどれほど生存するか？

主な発見

• 静的クォーク-反クォークペアの内部エネルギーとエントロピーは、臨界温度T_cで急激なピークを示し、2フラバーQCDにおける脱コンフィネームントランジションのクロスオーバー性質を明確に示している。
• 自由エネルギーとは異なり、T_c近辺で急激に減少するのではなく、内部エネルギーとエントロピーはT_cで顕著な最大値を示し、遷移領域における非自明なエントロピー寄与を示している。
• 長距離領域では、内部エネルギーとエントロピーは温度依存のプラトーU_∞(T)とS_∞(T)に近づき、高温では色スクリーニング、低温ではストリングブレイキングを反映している。
• 内部エネルギーと自由エネルギーの差は温度に伴い増大し、高温領域ではTS_∞(T) ≈ 4m_D(T)α(T)/3となる。これは顕著なエントロピー寄与を示している。
• 内部エネルギーに基づく有効ポテンシャルは、クォークン束縛エネルギーがT_cでピークに達し、T_cを超えては減少する傾向にあることを示唆しており、クォークン状態が相転移を通過しても束縛状態を保ち、自由エネルギーモデルが予測するよりも高い温度で解体が起こることを示唆している。
• 最近の研究結果を支持する形で、クォークン系の一部が相転移を生き残する可能性があり、内部エネルギーを有効ポテンシャルモデルに用いることで、解体温度がT_cよりも顕著に高いことが示唆される。