[논문 리뷰] From Non-interacting to Interacting Picture of Quark Gluon Plasma in presence of magnetic field and its fluid property

Jayanta Dey, Sarthak Satapathy외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 12.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 격자 QCD 열역학에 적합시켜 유량-글루온 플라즈마(QGP)의 상호작용을 유한한 온도와 자기장 조건 하에서 매개변수화된 분석 모델로 매핑하는 것을 제안한다. 온도 및 자기장에 의존하는 도핑 인자와 운동성 특성을 사용하여 점성도와 전기 전도도를 유도하며, 자기장과 QCD 상호작용이 모두 운동성 계수를 크게 억제함을 보여주며, 고에너지 물리학에서의 현상학적 추정을 위한 단순화된 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

We have attempted to build a parametric based simplified and analytical model to map the interaction of quarks and gluons in presence of magnetic field, which has been constrained by quark condensate and thermodynamical quantities like pressure, energy density etc., obtained from the calculation of lattice quantum chromodynamics. To fulfill that mapping, we have assumed a parametric temperature and magnetic field dependent degeneracy factor, average energy, momentum and velocity of quarks and gluons. Implementing this QCD interaction in calculation of transport coefficient at finite magnetic field, we have noticed that magnetic field and interaction both are two dominating sources, for which the values of transport coefficients can be reduced. Though the methodology is not so robust, but with the help of its simple parametric expressions, one can get a quick rough estimation of any phenomenological quantity, influenced by temperature and magnetic field dependent QCD interaction.

연구 동기 및 목표

• 유한한 온도와 자기장 조건 하에서 유량-글루온 플라즈마(QGP) 상호작용을 위한 단순화된 분석 모델을 개발하는 것.
• 온도 및 자기장에 의존하는 도핑 인자로 격자 QCD(LQCD) 열역학 계산에서 유도된 압력, 에너지 밀도, 수밀도에 적합하여 QCD 열역학을 매핑하는 것.
• 자기장 하에서 상호작용하는 QGP 모델 내에서 점성도와 전기 전도도와 같은 운동성 계수를 추정하는 것.
• 고에너지 충돌 물리학에서 자기장 및 온도에 따라 변화하는 운동성 특성을 신속하게 추정할 수 있는 현상학적으로 유용한 매개변수화된 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 압력, 에너지 밀도, 수밀도에 대한 LQCD 열역학 데이터에 적합시켜 온도 및 자기장에 의존하는 도핑 인자를 도입한다.
• 유도된 분포 함수를 사용한 상대론적 운동이론을 적용하여 자기장 효과를 효과적 전하와 운동량에 의존하는 항을 통해 포함한다.
• 자기장 존재 하에서 이방성 산란를 고려한 이완 시간 근사법과 볼츠만 운동방정식을 사용하여 운동성 계수를 계산한다.
• 선형 반응 이론에서 유도된 전도도 텐서를 사용하여 전기 전도도를 종방향, 횡방향, 홀 성분으로 분해한다.
• 점성도는 동일한 운동이론 프레임워크를 사용하여 자기장 하에서 이방성 운동량 운반을 고려하여 계산한다.
• 모델은 이완 시간에 대한 매개변수 형태를 가정하며, 자기장이 입자 운동에 미치는 영향(사이클로트론 주파수를 통한)을 통해 운동성 비율을 수정한다.

Figure 2: LQCD data of pressure (black circles), energy density (red diamonds) and entropy density (blue squares) are fitted at $eB=0$ (Left-upper panel), $eB=0.2$ GeV 2 (Right-upper panel), $eB=0.4$ GeV 2 (Left-middle panel) by our proposed model (solid curves) with tuning parameters degeneracy fac

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 자기장 하에서의 격자 QCD 열역학을 QGP 상호작용에 대한 매개변수화된 분석 모델로 매핑할 수 있는가?
• RQ2 자기장과 QCD 상호작용이 유량-글루온 플라즈마에서 점성도에 미치는 병합 효과는 무엇인가?
• RQ3 자기장은 종방향, 횡방향, 홀 성분을 포함한 전기 전도도 텐서에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 자기장과 QCD 상호작용이 QGP의 운동성 계수를 얼마나 억제하는가?
• RQ5 강력한 자기장을 가진 고에너지 충돌에서 운동성 특성을 빠르게 추정할 수 있는 단순화된 매개변수 모델은 신뢰할 수 있는가?

주요 결과

• 자기장과 QCD 상호작용은 모두 운동성 계수를 주요하게 억제하며, 점성도와 전기 전도도를 감소시킨다.
• 모델은 온도 및 자기장에 의존하는 도핑 인자를 통해 LQCD 열역학 데이터를 성공적으로 재현하며, QGP 성질에 대한 일관된 매핑을 가능하게 한다.
• 전기 전도도는 이방성 행동을 보이며, 병렬(σ∥), 수직(σ⊥), 홀(σ×) 성분이 모두 자기장 효과로 감소한다.
• 이완 시간은 자기장에 의해 역 싱크로트론 주파수 τB = ω/(eB)를 통해 수정되며, 이는 운동량 공간 산란 역학을 변화시킨다.
• 매개변수화된 프레임워크는 전체 수치 시뮬레이션 없이도 빠르고 현상학적으로 유용한 운동성 계수 추정을 가능하게 한다.
• 운동성 계수의 억제는 고자기장 및 유한한 온도 조건에서 가장 두드러지며, 자기장 촉진과 역자기장 촉진의 기대와 일치한다.

Figure 3: Left-upper: $T$ dependence of $\eta$ (dotted line), $\eta_{1}(eB=0.2{\rm GeV}^{2})$ (solid line) and $\eta_{2}(eB=0.2{\rm GeV}^{2})$ (dash line) for their non-interacting and interacting cases. Left-lower: Ratio of interaction to non-interaction values of $\eta$ , $\eta_{1}$ and $\eta_{2}$