[논문 리뷰] The Ideal Liquid Discovered by RHIC, Infrared Slavery Above and Hadronic Freedom Below $T_c$

Gerald E. Brown, Chang‐Hwan Lee외 1명|ArXiv.org|2005. 07. 05.

Cold Fusion and Nuclear Reactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 RHIC에서 생성된 쿼크-글루온 플라즈마가 약한 상호작용을 갖는 기체가 아니라, $T_c$에서의 치탈 대칭 전이 동안도 유대된 상태를 유지하는 메존으로 이루어진 강하게 상관관계가 있는 거의 완벽한 액체임을 제안한다. $T_c$ 이상에서는 적외선의 유혹, $T_c$ 이하에서는 숨겨진 국소 대칭의 벡터 표현을 통해 치탈 쌍($\pi$, $S$, $\rho$, $a_1$)이 질량이 없고 강하게 상관관계를 가지며, $T_c$ 바로 아래에서 상호작용이 사라지고 $T_c$ 이상에서 적외선의 유혹으로 인해 재등장함으로써 고온에서 완벽한 유체성으로 이어진다.

ABSTRACT

We construct the nature of the matter found in RHIC when its temperature has dropped down close to, and below, $T_c$. Just above $T_c$ it is composed of extremely strongly bound quark-antiquark pairs forming chirally restored mesons of the quantum numbers of the $π, S, ρ$ and $a_1$ with very small size and zero energy and just below $T_c$, it is composed of mesons of the same quantum numbers with zero mass. We invoke infrared slavery for the former and the vector manifestation (VM) of hidden local symmetry for the latter. As the temperature drops below $T_c$, the strongly bound quark-antiquark pairs are ejected into what is basically a region of "hadronic freedom" in which the interactions are zero. Experimental evidences for this are seen in the STAR data.

연구 동기 및 목표

• RHIC에서 관측된 물질의 성질, 특히 거의 완벽한 유체성의 기원을 설명하기 위해.
• 쿼크-글루온 플라즈마가 자유 쿼크와 글루온의 약한 결합 기체가 아니라 강하게 상호작용하는 이유라는 역설을 해결하기 위해.
• 숨겨진 국소 대칭과 적외선의 유혹을 통해 치탈 메존($\pi$, $S$, $\rho$, $a_1$)의 행동을 치탈 대칭 전이 전후로 통합하기 위해.
• 열역학적 자유도와 엔트로피가 $T_c$를 넘어서도 32개의 메존으로 구성된 스핀-이so스핀 SU(4) 다중구조와 일치함을 보여주어 $T_c$를 넘어서도 연속성을 유지함을 확인하기 위해.

제안 방법

• 치탈 대칭의 깨짐과 메존 형성을 모델링하기 위해 $\Lambda \approx 660$ MeV의 절단을 사용한 나무-존아-라스키오(NJL) 모델을 사용한다. 이는 $4\pi f_\pi/\sqrt{2}$와 일치한다.
• 벡터 표현(VM)을 적용하여 $T_c$ 바로 아래에서 벡터 메존의 degeneracy 복원과 $\rho$, $a_1$ 메존의 질량이 0이 되는 것을 기술한다.
• 적외선의 유혹을 사용하여 $T_c$ 이상에서 에너지와 크기가 0인 강하게 유대된 $q\bar{q}$ 쌍이 나타나고, 치탈 대칭 복원 메존이 형성됨을 기술한다.
• 격자 QCD 데이터와 이중 글루온 시나리오(부드러운 및 딱딱한 글루온)를 통합하여 치탈 대칭 전이와 차원 전이의 차이를 구분한다.
• 평균장 근사와 $\rho$ 및 $\sigma$(세로성 $\rho$)를 포함한 루프 다이어그램을 사용하여 발산을 상쇄하고 효과 이론을 안정화한다.
• 윌슨의 매칭을 구성 쿼크에 적용하며, 벡터 메존을 포함할 경우 절단을 $4\pi f_\pi \sim 1$ GeV으로 높여 치탈 대칭을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템이 약한 상호작용 기체가 아니라면, RHIC에서 관측된 거의 완벽한 유체성은 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ2 $T_c$에서 치탈 대칭 전이를 거쳐도 메존 자유도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 $T_c$ 바로 아래에서 $\rho$와 $a_1$ 메존이 질량이 없는 이유는 무엇이며, 이는 벡터 표현과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 전이가 일어나도 32개의 자유도(메존)가 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 $T_c$ 바로 아래에서 메존 자유도가 0 상호작용 상태(핵자 자유도)에서 $T_c$ 바로 위에서 적외선의 유혹으로 인한 강한 유대 상태로 전이되는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• RHIC에서 생성된 물질은 $T_c$ 이하에서부터 이상까지 32개의 스핀-이소스핀 SU(4) 다중구조 상태인 메존으로 구성되어 있으며, 자유 쿼크가 아니다.
• $T_c$ 바로 아래에서 $\pi$, $S$, $\rho$, $a_1$ 메존는 벡터 표현(VM)으로 인해 질량이 0이며, 상호작용이 사라져 '핵자 자유도' 상태임을 나타낸다.
• $T_c$ 바로 위에서 동일한 메존들이 적외선의 유혹으로 인해 에너지와 크기가 0인 강하게 유대된 $q\bar{q}$ 쌍으로 재등장하며, 치탈 대칭 복원 메존을 형성한다.
• $T_c$ 바로 위에서 $\rho$와 $a_1$ 메존는 열적 질량 효과와 $p_0 \sim 2m_{\rm th}$ 분모로 인해 매우 작은 질량을 가진다. 여기서 $m_{\rm th} \gtrsim 1$ GeV이다.
• 플라즈마의 엔트로피는 32개의 메존 자유도와 매우 정확하게 일치하여, 이들이 $T_c$를 넘어서도 유지됨을 확인한다.
• 메존의 액체화는 $T \sim 2T_c$에서 일어나며, 여기서 산란 진폭이 conformal 고정점을 통과하여 완벽한 유체성($\eta/s \approx 1/4\pi$)을 유도한다.