[논문 리뷰] Accessibility of color superconducting quark matter phases in heavy-ion collisions

D. Blaschke, Fredrik Sandin외 2명|GSI Repository (German Federal Government)|2010. 04. 25.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 4–8 A GeV 에너지의 고에너지 충돌에서, 두 쿼크 색상 초전도체 상(2SC)의 쿼크 물질 상이 폴리아코프-누르바-존라-라시노(NJL) 모형(PNJL)과 이중자 쌍성에 의해 안정화된 경우, 중간 에너지에서의 고에너지 이온 충돌에서 접근 가능해질 수 있음을 제안한다. UrQMD 시뮬레이션과 PNJL 모형을 이용한 쿼크 물질 및 DD-RMF를 이용한 수소 물질의 하이브리드 상태방정식을 사용하여, '코끼리 끝' 모양의 구조를 띠는 혼합상 영역과 2SC 상의 높은 임계 온도(T_c > 160 MeV)를 확인하였으며, 이는 향후 CBM@FAIR 및 NICA@JINR 실험에서 검출 가능한 서명을 유도할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We discuss a hybrid equation of state (EoS) that fulfills constraints for mass-radius relationships and cooling of compact stars. The quark matter EoS is obtained from a Polyakov-loop Nambu--Jona-Lasinio (PNJL) model with color superconductivity, and the hadronic one from a relativistic mean-field (RMF) model with density-dependent couplings (DD-RMF). For the construction of the phase transition regions we employ here for simplicity a Maxwell construction. We present the phase diagram for symmetric matter which exhibits two remarkable features: (1) a "nose"-like structure of the hadronic-to-quark matter phase border with an increase of the critical density at temperatures below T ~ 150 MeV and (2) a high critical temperature for the border of the two-flavor color superconducting (2SC) phase, T_c > 160 MeV. We show the trajectories of heavy-ion collisions in the plane of excitation energy vs. baryon density calculated using the UrQMD code and conjecture that for incident energies of 4 ... 8 A GeV as provided, e.g., by the Nuclotron-M at JINR Dubna or by lowest energies at the future heavy-ion collision experiments CBM@FAIR and NICA@JINR, the color superconducting quark matter phase becomes accessible.

연구 동기 및 목표

• 중간 에너지에서의 고에너지 이온 충돌에서 색초전도체 쿼크 물질 상의 접근 가능성에 대해 조사한다.
• 중성자별 질량-반지름 및 냉각 제약 조건과 일치하는, 쿼크 물질에 대해 PNJL 모형과 수소 물질에 대해 DD-RMF 모형을 조합한 하이브리드 상태방정식(EoS)을 구축한다.
• 이중자 응축과 높은 임계 온도를 특징으로 하는 2SC 상이 현재 및 향후 고에너지 이온 시설에서 탐지 가능한지 결정한다.
• 색초전도체 전이 및 카이랄 대칭 복원 전이에 대해 관측 가능한 실험적 서명—예를 들어, 강화된 이중 광자 및 렙톤-쌍의 진동 질량 스펙트럼—을 제안한다.

제안 방법

• 쿼크 물질에 대해 폴리아코프-누르바-존라-라시노(PNJL) 모형을 사용하여 하이브리드 상태방정식을 구성하며, 이중자 갭과 유한 온도 효과를 포함한다.
• 수소 물질 단계는 밀도에 따라 변하는 상대론적 평균장(DD-RMF) 방법으로 모델링하며, 핵의 액체-기체 전이를 포함한다.
• 수소 물질과 쿼크 물질 사이의 상 공존은 맥스웰 구조를 통해 모델링되어, 특징적인 '코끼리 끝' 모양의 혼합상 영역을 생성한다.
• 중앙부의 Au-Au 충돌 궤적을 계산하기 위해 UrQMD 시뮬레이션을 사용한다. 이는 자극 에너지 대 질량 밀도 평면에서 수행된다.
• 2SC 상의 임계 온도는 PNJL 모형으로 평가되며, 폴리아코프 루프의 강화로 인해 T_c > 160 MeV임을 보여준다.
• 실험적 서명은 효과적 장 이론에서 유도되며, 카이랄 대칭 복원 근처의 시그마 메존에서 강화된 이중 광자 스펙트럼과 2SC 전이 근처의 이중자-반이중자 기여로 인한 렙톤-쌍 스펙트럼을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 A GeV 이하의 에너지에서 고에너지 이온 충돌에서 두 쿼크 색상 초전도체(2SC) 쿼크 물질 상이 접근 가능한가?
• RQ2 폴리아코프 루프는 2SC 상의 안정화와 임계 온도를 150 MeV 이상으로 높이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 유한 온도에서의 쿼크 압력 감소로 인해, 수소-쿼크 물질 상전이가 '코끼리 끝' 모양의 구조를 띠는가?
• RQ4 강화된 이중 광자 또는 렙톤-쌍의 진동 질량 스펙트럼과 같은 실험적 서명이 카이랄 대칭 복원과 색초전도체 전이를 신호로 줄 수 있는가?
• RQ5 Nuclotron-M 및 NICA@JINR 시설에서 2SC 및 쿼르크요닉 상이 접근 가능한가? QCD 임계점은 어떤 에너지에서 탐지 가능한가?

주요 결과

• 폴리아코프 루프를 포함함으로써, 2SC 상의 임계 온도가 표준 NJL 모형보다 훨씬 높은 160 MeV 이상임을 확인하였다.
• 수소-쿼크 물질 상경계는 '코끼리 끝' 모양의 구조를 띠며, 150 MeV 이하의 온도에서 임계 밀도가 증가한다. 이는 폴리아코프 루프의 잠재력이 유한한 온도에서 쿼크 압력을 억제하기 때문이다.
• UrQMD 시뮬레이션 결과, 4–8 A GeV에서의 중심부 Au-Au 충돌이 수소 물질과 2SC 쿼크 물질의 혼합상 영역에 도달함을 확인하였으며, 이는 Nuclotron-M 시설에서 실험적으로 접근 가능함을 시사한다.
• 혼합상 영역은 QCD 임계점에서는 사라지며, 이는 10 A GeV 이상의 에너지가 필요하며, NICA에서만 도달 가능한 영역이다.
• 약 300 MeV 근처에서 강화된 이중 광자 진동 질량 스펙트럼은 카이랄 대칭 복원을 시사할 수 있으며, 이중자 기여로 인한 비정상적인 이중자-반이중자 프로파게이터로 인해 2SC 전이 근처에서 렙톤-쌍 스펙트럼은 예비 효과를 보인다.
• 이중자 갭과 폴리아코프 루프 결합을 포함한 PNJL 모형은 낮은 폴리아코프 루프(Φ < 0.25)를 가지는 쿼르크요닉 상을 예측하며, 이는 탈구속화와 색초전도체의 공존을 뒷받침한다.