[論文レビュー] The Phases of QCD in Heavy Ion Collisions and Compact Stars

Krishna Rajagopal|Sep 5, 2000

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、QCD相図をレビューし、高温・高バリオン密度下に臨界点が存在すると提案している。この臨界点は、SPSおよびRHICにおける重イオン衝突で検出可能である。さらに、コンパクト星内の低温・高密度のクォーク物質が、特に2SCおよびCFL相を含む色超伝導相を形成する可能性があり、これはパulsarのグルーブスや、 strange quark starに関する仮定に挑戦する要因となる可能性がある。

ABSTRACT

I review arguments for the existence of a critical point in the QCD phase diagram as a function of temperature and baryon chemical potential. I describe how heavy ion collision experiments at the SPS and RHIC can discover the tell-tale signatures of such a critical point, thus mapping this region of the QCD phase diagram. I then review the phenomena expected in cold dense quark matter: color superconductivity and color-flavor locking. I close with a snapshot of ongoing explorations of the implications of recent developments in our understanding of cold dense quark matter for the physics of compact stars.

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QCD相図に臨界点が存在する理論的・実験的根拠を確立すること。
• 重イオン衝突における実験的シグナルを、相転移付近の揺らぎを通じてこの臨界点の検出に結びつけること。
• 低温・高密度クォーク物質における色超伝導性の影響が、コンパクト星の構造および観測可能な性質に与える影響を調査すること。
• クォーク物質コア内に結晶的色超伝導層が存在することを考慮することで、従来の strange quark star モデルと整合しにくいパルサーのグルーブスや r-モード不安定性といった長年の天体物理学的謎を再評価すること。
• 新しいクォーク物質相に関する知見に基づき、観測されたコンパクト星が strange quark star か、クォーク物質コアを有する中性子星であるかを評価すること。

提案手法

• チャーミカル対称性の回復とクリスタル凝集体の役割に特に注目し、有効場理論および対称性の破れのパターンを用いてQCD相図を分析する。
• 普遍性の議論および格子QCDシミュレーションを応用し、相図内に存在する臨界点の存在と位置を推測する。
• BCSに類似たペア形成メカニズムを用いて、2SCおよびCFLなどの色超伝導相が、高密度クォーク物質内でどのように形成されるかをモデル化する。
• 密度および温度の変化に伴うクォーク物質相の安定性と構造を評価し、非一様なLOFF相の可能性も含む。
• クォーク物質コアを想定したモデルにおいて、ニュートリノ放出、磁場の進化、r-モード不安定性、グルーブスといった天体物理学的観測量を評価する。
• 中性子星観測からの現象的制約を用い、コンパクト星内の異なるクォーク物質相の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD相図は有限温度およびバリオン化学ポテンシャルにおいて臨界点を有するか？ また、SPSおよびRHICにおける重イオン衝突で実験的に検出可能か？
• RQ2 重イオン衝突の力学的挙動において、特に凍結領域付近の臨界点のシグナルは何か？
• RQ3 低温・高密度クォーク物質における色超伝導相（例：2SCおよびCFL）の性質は何か？ また、これらはコンパクト星の構造にどのように影響を与えるか？
• RQ4 中性子星コア内に結晶的色超伝導相が存在する場合、パルサーのグルーブスを説明できるか？ これは、従来の strange quark star モデルと整合しない難問である。
• RQ5 コンパクト星における中性子超流動体の欠如とクォーク物質の存在が、特に r-モード不安定性および磁場の減衰に関連して、パルサーの安定性と進化に与える影響は何か？

主な発見

• 有限温度およびバリオン化学ポテンシャルにおけるQCD相図に臨界点 $E$ が予測され、SPSおよびRHICにおける重イオン衝突データの揺らぎを通じて実験的に発見可能である。
• ハドロン相とクォーク・グルーオンプラズマ相の間の転移が三重点で第二種から第一種に変わるため、臨界点は相図の重要な特徴を示す。
• 低温・高密度クォーク物質内では、2SCおよびCFLなどの色超伝導相が形成されると予想され、これはチャーミカル対称性の破れを示し、かつ脱コンfinement状態にあっても超伝導性を示す。
• コンパクト星内に結晶的色超伝導相が存在する場合、強いピン留め力が発生し、グルーブスを生じる有効なメカニズムを提供する可能性がある。
• Strange quark star がパルサー候補から除外されなくなる可能性がある。なぜなら、結晶的色超伝導状態にあるクォーク物質層がグルーブス挙動を支持できるからである。
• 理論的モデルは、クォーク物質が密度勾配に応じて2SCからCFLまでの多様な相を示す可能性があることを示唆しており、非一様なLOFF相が広範囲にわたって形成される可能性もある。