[论文解读] Accessibility of color superconducting quark matter phases in heavy-ion collisions

D. Blaschke, Fredrik Sandin+2 more|GSI Repository (German Federal Government)|Apr 25, 2010

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

本文提出，在4–8 A GeV能量范围的重离子碰撞中，通过包含二夸克配对的Polyakov-loop Nambu–Jona-Lasinio（PNJL）模型稳定，两 flavor 色超导（2SC）夸克物质相可能被探测到。利用UrQMD模拟和结合PNJL夸克物质与DD-RMF强子物质的混合状态方程，研究识别出具有“鼻状”结构的混合相区域，并具有较高的2SC临界温度（T_c > 160 MeV），表明这些现象可能在未来的CBM@FAIR和NICA@JINR实验中被探测到。

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.

研究动机与目标

• 研究在中等能量重离子碰撞中，色超导夸克物质相的可访问性。
• 构建一个混合状态方程（EoS），结合PNJL描述夸克物质和DD-RMF描述强子物质，且与中子星质量-半径关系及冷却约束一致。
• 确定由二夸克凝聚和高临界温度表征的2SC相是否可在当前及未来的重离子装置中被探测。
• 提出可观测的实验信号，如增强的双光子和轻子对不变质量谱，用于表征手征对称性自发性自发性的恢复与色超导相变。

提出的方法

• 采用包含二夸克能隙和有限温度效应的Polyakov-loop Nambu–Jona-Lasinio（PNJL）模型构建夸克物质的混合状态方程。
• 利用密度依赖的相对论平均场（DD-RMF）方法建模强子相，包含核液-气相变。
• 通过Maxwell构造建模强子相与夸克物质之间的相共存，得到具有显著“鼻状”结构的混合相区域。
• 利用UrQMD模拟计算在激发能与重子密度平面中，中心碰撞Au-Au事件的轨迹。
• 从PNJL模型评估2SC相的临界温度，结果显示由于Polyakov-loop的增强作用，T_c > 160 MeV。
• 基于有效场论推导实验信号：在手征对称性恢复附近，来自σ介子的增强双光子谱；在2SC相变附近，来自异常二夸克-反二夸克贡献的轻子对谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低于10 A GeV能量的重离子碰撞中，能否实现两 flavor 色超导（2SC）夸克物质相？
• RQ2 Polyakov-loop在稳定2SC相并使其临界温度高于150 MeV方面起什么作用？
• RQ3 由于有限温度对夸克压强的抑制，强子到夸克物质相变是否表现出“鼻状”结构？
• RQ4 增强的双光子或轻子对不变质量谱等实验信号能否表征手征对称性恢复与色超导？
• RQ5 2SC相与夸克子相是否可在Nuclotron-M和NICA@JINR设施中实现？探测QCD临界点需要多高的能量？

主要发现

• 由于引入了Polyakov-loop，2SC相的临界温度超过160 MeV，显著高于标准NJL模型的结果。
• 强子到夸克物质的相边界表现出“鼻状”结构，低于150 MeV温度时临界密度随温度升高而增加，这是由于Polyakov-loop势在有限温度下抑制了夸克压强所致。
• UrQMD模拟表明，4–8 A GeV的中心Au-Au碰撞可进入强子与2SC夸克物质的混合相区域，表明该区域在Nuclotron-M装置中具有实验可探测性。
• 在QCD临界点处，混合相区域消失，该点需超过10 A GeV的能量，仅可在NICA装置中实现。
• 在约300 MeV附近的增强双光子不变质量谱可能表征手征对称性恢复，而轻子对谱在2SC相变附近显示出前兆效应，源于异常二夸克传播子。
• 包含二夸克能隙和Polyakov-loop耦合的PNJL模型预测存在一个Polyakov-loop值较低（Φ < 0.25）的夸克子相，支持禁闭与色超导共存。