[논문 리뷰] 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. Aichelin외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 19.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 79인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 유량-글루온 플라즈마(QGP) 열역학 및 유동성 특성에 대해 유한한 빈도 화학잠재력(µB) 조건, 특히 QCD 임계점(CEP) 근처에서 기술하기 위해 동적 준입자 모형(DQPM)을 확장한 DQPM-CP 모형을 제안한다. 부분입자 자기에너지에 라티스 QCD(lQCD) 데이터를 적합시키고 CEP 근처에서 임계 척도를 포함함으로써, 이 모형은 넓은 T–µB 범위에서 상태방정식을 재현하고 점탄성 점성도 및 전기 전도도와 같은 유동성 계수를 예측한다. 이는 유동성 특성이 단지 상도표 이외에도 미시적 자유도에 의존함을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유한한 빈도 화학잠재력(µB) 조건, 특히 임계점(CEP) 근처에서 비학습적 QCD 물질을 기술하는 현상학적 모형을 개발하는 것.
• 동적 준입자 모형(DQPM)을 큰 µB로 확장하여 임계 척도를 포함하고, 엔트로피 밀도에 대해 라티스 QCD(lQCD) 데이터와 일치시키는 것.
• 효과적 부분입자 질량과 너비를 사용하여 유도 시간 근사에서 유동성 계수(점탄성 점성도, 전도도)를 계산하는 것.
• 두 가지 다른 스트랭지 쿼크 화학잠재력 설정(µs = 0 및 µs = µB/3)에서 등엔트로피 궤적과 유동성 행동을 비교하는 것.
• 유동성 특성이 상도표 외에도 부분입자 자유도의 미시적 구조에 의존함을 보여주는 것.

제안 방법

• DQPM-CP 모형은 쿼크와 글루온에 대해 복소수 자기에너지(실수부는 효과적 질량, 허수부는 너비)를 사용하며, 이는 µB = 0에서 라티스 QCD(lQCD) 데이터에 대한 엔트로피 밀도 적합을 통해 유도된다.
• 효과적 결합 상수 g²(T/Tc)는 엔트로피 밀도를 lQCD 결과와 일치시키기 위해 결정되며, (T_CEP, µ_B^CEP) = (0.100, 0.960) GeV에서 위치한 임계점 근처에서 스케일링 가정을 통해 유한한 µB로 확장된다.
• 두 가지 화학잠재력 설정을 고려한다: (I) µq = µu = µs = µB/3 및 (II) µs = 0, µu = µd = µB/3이며, 이는 등엔트로피 궤적을 연구하기 위함이다.
• 유동성 계수(점탄성 점성도 η, 전기 전도도 σQQ, σBB, σSS)는 최저차수 pQCD를 사용하여 유도 시간 근사에서 계산된다.
• 모형은 상태방정식과 음속을 lQCD 및 PNJL 계산과 비교하여 검증되었으며, 크로스오버 영역에서 양호한 일치를 보였다.
• 모형은 PHSD와 같은 운동론적 프레임워크에의 구현을 위해 설계되었으며, 고에너지 충돌에서 QGP 진화의 동적 시뮬레이션을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DQPM는 어떻게 큰 빈도 화학잠재력, 특히 임계점(CEP) 근처에서 QGP 열역학 및 유동성을 기술할 수 있는가?
• RQ2 DQPM-CP 모형에서 상태방정식과 음속은 넓은 T 및 µB 범위에서 어떻게 행동하는가?
• RQ3 두 가지 다른 스트랭지 쿼크 화학잠재력 설정(µs = 0 대비 µs = µB/3)에서 QGP의 등엔트로피 궤적이 어떻게 다를까?
• RQ4 DQPM-CP의 유동성 계수(점탄성 점성도, 전기 전도도)는 유사한 상도표를 가진 PNJL과 비교해 볼 때 어떻게 다른가?
• RQ5 유동성 특성이 상도표 외에도 부분입자 자유도의 구체적 미시적 구조에 얼마나 의존하는가?

주요 결과

• DQPM-CP 모형은 라티스 QCD 상태방정식(EoS)을 크로스오버 영역에서 양호한 일치로 재현하였으며, 엔트로피 밀도와 음속에서 잘 일치한다.
• 모형은 (T_CEP, µ_B^CEP) = (0.100, 0.960) GeV에서 임계점 근처에서 임계 척도 행동을 예측하며, QCD 상도표에서 기대되는 임계점과 일치한다.
• 음속 v_s²는 T_c 근처에서 최소값을 보이며, µB가 증가함에 따라 증가하여 고 빈도 밀도에서 상태방정식의 강성 증가를 반영한다.
• 두 µs 설정 간의 등엔트로피 궤적이 상당히 다름: µs = 0일 경우 더 급격한 궤적과 더 높은 단위 빈도당 엔트로피를 보인다.
• DQPM-CP에서 계산된 점탄성 점성도 및 전기 전도도(σQQ/T, σBB/T, σSS/T)는 유사한 상도표를 가진 PNJL과는 상당한 차이를 보이며, 이는 유동성 특성이 특정한 부분입자 미시적 모형에 의존함을 시사한다.
• 모형은 중간 정도의 T와 높은 µB 영역에서 상태방정식과 유동성 계수를 일관되게 제공하며, 고에너지 충돌의 점성 유체역학 및 운동론적 시뮬레이션에의 구현에 적합하다.