[논문 리뷰] Identifying the presence of the critical end point in QCD phase diagram by higher order susceptibilities

Wenkai Fan, X. Luo외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 28.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 44인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 QCD 상전이 근처의 고밀도 쿼크 물질에서 8차까지의 빈도수에 따라 바리온 수 밀도의 확률적 변동성을 분석하기 위해 Nambu-Jona-Lasinio 모형을 사용하여 QCD 임계 끝점(Critical End Point, CEP)과 급속한 전이 사이의 구별을 조사한다. 두 경우 모두 변동성의 부호 패턴이 유사하지만, CEP의 경우 상전이 경계 근처에서 신호의 크기가 현저하게 크게 나타나며, 이는 실험적으로 CEP를 식별하기 위해 다양한 동결-완료 곡선을 통해 측정하는 것이 필수적임을 시사한다.

ABSTRACT

For the first time, we investigate susceptibilities of dense quark matter up to $8$th order using an effective model. Generally higher order susceptibilities will have more sign changes and larger magnitude, thus should give more information about the presence and location of the conjectured QCD critical end point (CEP). Two cases are studied, one with the CEP and one being crossover phase transition throughout the QCD phase diagram. It is found that a rapid crossover transition can also give similar sign pattern as the case with the CEP and yield large signal. We propose that using several kinds of ions for collision to search for a wider range on the QCD phase diagram may help.

연구 동기 및 목표

• QCD 상도도에서 임계 끝점(CEP)이 존재하는지 여부를 고차수 바리온 수 밀도 확률적 변동성(최대 8차까지)을 통해 급속한 전이와 구별할 수 있는지 판단하기 위해.
• 효과적 쿼크 모형을 사용하여 임계 끝점 근처의 임계 현상에 대해 고차수 변동성(최대 8차까지)의 민감도를 평가하기 위해.
• 현재 또는 향후 실험 데이터에서 보존된 전하 변동성 측정이 임계 끝점 존재 여부를 신뢰성 있게 나타낼 수 있는지 평가하기 위해.
• 다양한 이온 충돌에서 유도된 여러 동결-완료 곡선을 통해 변동성을 측정하는 것이 CEP 식별 가능성에 대해 탐색하기 위해.
• CEP가 존재하는 모형과 존재하지 않는 모형 간의 신호 패턴과 크기 변화를 분석하여, 부호 변화와 진폭 스케일링에 초점을 맞추기 위해.

제안 방법

• 3-색깔 Nambu-Jona-Lasinio (NJL) 모형을 사용하여 QCD 상전이 근처의 고밀도 쿼크 물질을 기술하기 위해 스칼라, 벡터, t’Hooft 상호작용을 포함한다.
• 균평형 근사를 적용하여 다양한 바리온 화학적 포텐셜과 온도 조건에서 구성 질량과 화학적 포텐셜에 대한 자기일관 방정식을 유도한다.
• 임계 끝점이 존재하는 경우(벡터 결합 상수가 0)와 존재하지 않는 경우(비영인 벡터 결합 상수, 결과적으로 전환만 존재)의 두 시나리오에서 8차까지의 고차수 바리온 수 밀도 확률적 변동성을 계산한다.
• 특히 제1종 전이선과 전이선 근처에서 상도도 전체에 걸쳐 확률적 변동성의 부호 패턴과 진폭 스케일링을 분석한다.
• 확률적 변동성의 크기가 임계값(5^n 및 10^n)을 초과하는 영역을 매핑하여 실험적으로 감지 가능한 신호 강도 영역을 식별한다.
• 두 경우 모두 상경계를 가로질러 부호 전환이나 신호 증가의 행동을 비교하여 구별 가능성 여부를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8차까지의 고차수 바리온 수 밀도 확률적 변동성은 QCD 임계 끝점과 급속한 전이 전이를 구별할 수 있는가?
• RQ2 임계 끝점과 전이 전이 사이의 고차수 변동성 부호 패턴은 유의미하게 다를까?
• RQ3 고차수 변동성에서 큰 신호 크기는 임계 끝점의 징후로 사용될 수 있는가, 아니면 급속한 전이에서도 유사한 크기를 가질 수 있는가?
• RQ4 다양한 동결-완료 곡선을 통해 변동성을 측정하는 것이 임계 끝점을 규명하는 데 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 임계 끝점 존재 유무에 따라 고차수 확률적 변동성의 부호 변화 수는 상경계를 가로질러 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 임계 끝점(Critical End Point, CEP)과 전이 전이의 경우 모두 고차수 바리온 수 밀도 확률적 변동성의 부호 패턴이 상기 경계 근처에서 정성적으로 유사하여, 부호 분석만으로는 두 경우를 구별하기에는 부족하다.
• CEP의 경우 임계 끝점 근처에서 신호 크기가 급격히 증가하며, 상당한 영역에서 확률적 변동성 크기가 10^n을 초과하는 반면, 전이의 경우는 작은 국소적 신호만을 보인다.
• CEP 시나리오에서는 제1종 전이선을 가로질러 순서가 증가함에 따라 확률적 변동성 비율의 부호 전환 수가 증가하여, 전이 사례와의 위상적 차이를 나타낸다.
• 전이 사례에서는 전이선을 가로질러 순서가 증가함에 따라 부호 전환이 증가하여, 부호 전환 분석만으로는 CEP를 신뢰성 있게 식별할 수 없다는 것을 시사한다.
• 급속한 전이 전이도 CEP 근처에서 예상되는 것과 유사한 큰 신호 크기를 가질 수 있으므로, 크기만으로는 임계 현상의 존재를 확정적으로 판단할 수 없다.
• 연구는 다양한 이온 종류에서 유도된 여러 동결-완료 곡선을 통해 변동성을 측정하는 것이 필수적이라고 결론 내리며, 이는 상경계 쪽으로 신호 증가를 추적할 수 있기 때문이다.