[論文レビュー] Transport properties and equation-of-state of hot and dense QGP matter near the critical end-point in the phenomenological dynamical quasi-particle model

Olga Soloveva, J. Aichelin+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 79被引用数 22

ひとこと要約

本稿では、クォーカー・グルーオンプラズマ（QGP）の熱力学的性質および輸送特性を、バリオン化学ポテンシャル（µB）が有限の状況、特にQCD臨界端点（CEP）付近で記述するためのDQPM-CPモデルを提案する。部分的な自己エネルギーを格子QCD（lQCD）データにフィットさせ、CEP近傍での臨界スケーリングを組み込むことで、広いT–µB範囲で状態方程式（EoS）を再現し、剪断粘性係数や電気伝導度といった輸送係数を予測する。本モデルは、相図のみに依存するのではなく、微視的自由度の構造にも依存する輸送特性を示している。

ABSTRACT

We extend the effective dynamical quasiparticle model (DQPM) - constructed for the description of non-perturbative QCD phenomena of the strongly interacting quark-gluon plasma (QGP) - to large baryon chemical potentials, $\mu_B$, including a critical end-point and a 1st order phase transition. The DQPM description of quarks and gluons is based on partonic propagators with complex selfenergies where the real part of the selfenergies is related to the quasiparticle mass and the imaginary part to a finite width of their spectral functions. In DQPM the determination of complex selfenergies for the partonic degrees of freedom at zero and finite $\mu_B$ has been performed by adjusting the entropy density to the lQCD data. The temperature-dependent effective coupling (squared) $g^2(T/T_c)$, as well as the parton effective masses and widths are based on this adjustment. The novel extended dynamical quasiparticle model, named "DQPM-CP", makes it possible to describe thermodynamical and transport properties of quarks and gluons in a wide range of $T$ and $\mu_B$, and reproduces the equation-of-state (EoS) of lQCD calculations in the crossover region of finite $T, \mu_B$. We apply a scaling ansatz for the strong coupling constant near the CEP, located at ($T^{CEP}$, $\mu^{CEP}_B) = (0.100, 0.960)$ GeV. We show the EoS as well as the speed of sound for $T>T_c$ and for a wide range of $\mu_B$, which can be of interest for hydrodynamical simulations. Furthermore, we consider two settings for the strange quark chemical potentials (I) $\mu_s=\mu_B/3$ and (II) $\mu_s=0$. The isentropic trajectories of the QGP matter are compared for these two cases. The phase diagram of DQPM-CP is close to PNJL calculations. The leading order pQCD transport coefficients of both approaches differ. This elucidates that the knowledge of the phase diagram alone is not sufficient to describe the dynamical evolution of QGP.

研究の動機と目的

• 有限バリオン化学ポテンシャル（µB）における非摂動的QCD物質、特に臨界端点（CEP）近傍を記述する効果的モデルの構築。
• 動的準粒子モデル（DQPM）を大規模なµBに拡張し、臨界スケーリングを組み込み、エントロピー密度について格子QCD（lQCD）データに一致させる。
• 有効部分粒子質量および幅を用いて、緩和時間近似で輸送係数（剪断粘性係数、伝導度）を計算する。
• µs = 0 および µs = µB/3 の2つの異なるStrangeクォーク化学ポテンシャル設定における等エントロピー的軌道と輸送挙動を比較する。
• 輸送特性が相図に加えて、部分粒子自由度の微視的構造にも依存することを示す。

提案手法

• DQPM-CPモデルは、クォークおよびグルーオンの複素自己エネルギーを用い、実部が有効質量、虚部が幅を定義する。これらは、µB = 0におけるエントロピー密度をlQCDデータにフィットすることで導出される。
• 有効結合定数g²(T/Tc)は、エントロピー密度をlQCD結果に一致させることで決定され、(T_CEP, µ_B^CEP) = (0.100, 0.960) GeVに位置するCEP近傍でのスケーリングアンザッツを用いて有限µBへ拡張される。
• 2つの化学ポテンシャル設定を検討する：(I) µq = µu = µs = µB/3 および (II) µs = 0, µu = µd = µB/3。等エントロピー的軌道の研究を目的とする。
• 剪断粘性係数ηおよび電気伝導度σQQ, σBB, σSSは、最低次のpQCDを用い、緩和時間近似で計算される。
• モデルは、状態方程式および音速がlQCDおよびPNJL計算と比較され、クロスオーバー領域で良好な一致を示す。
• 本モデルは、PHSDなどの輸送フレームワークへの実装を想定しており、重イオン衝突におけるQGPの動的進化をシミュレート可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DQPMをどのように拡張すれば、大規模なバリオン化学ポテンシャル、特に臨界端点（CEP）近傍におけるQGPの熱力学的性質および輸送特性を記述できるか？
• RQ2 DQPM-CPモデルにおいて、広いTおよびµB範囲で状態方程式および音速はどのように振る舞うか？
• RQ3 µs = 0 と µs = µB/3 の2つの異なるStrangeクォーク化学ポテンシャル設定におけるQGPの等エントロピー的軌道はどのように異なるか？
• RQ4 DQPM-CPにおける輸送係数（剪断粘性係数、電気伝導度）は、類似した相図を示すPNJLモデルと比較してどのように異なるか？
• RQ5 輸送特性が相図を越えて、部分粒子自由度の微視的構造にどれほど依存するか？

主な発見

• DQPM-CPモデルは、有限TおよびµBにおける格子QCD（lQCD）の状態方程式（EoS）をクロスオーバー領域で良好に再現し、エントロピー密度および音速においても一致が得られている。
• モデルは、(T_CEP, µ_B^CEP) = (0.100, 0.960) GeVに位置するCEP近傍で臨界スケーリングの振る舞いを予測しており、QCD相図における期待される臨界点と整合的である。
• 音速v_s²はT_c近傍で最小値を示し、µBが増加するにつれて上昇し、バリオン密度が高い領域でのEoSの硬さ（stiffening）を反映している。
• µs = 0 と µs = µB/3 の2つの設定において、等エントロピー的軌道は顕著に異なる：µs = 0では勾配が急で、バリオンあたりのエントロピーが高くなる。
• DQPM-CPで計算された剪断粘性係数および電気伝導度（σQQ/T, σBB/T, σSS/T）は、PNJLモデルとは顕著に異なり、相図が類似しているにもかかわらず、輸送特性が部分粒子の微視的モデルに依存していることを示している。
• 本モデルは、中程度のTおよび高µB領域におけるEoSと輸送係数の整合的フレームワークを提供しており、重イオン衝突の粘性流体力学的および輸送シミュレーションへの実装に適している。