[論文レビュー] The Ideal Liquid Discovered by RHIC, Infrared Slavery Above and Hadronic Freedom Below $T_c$

Gerald E. Brown, Chang‐Hwan Lee+1 more|ArXiv.org|Jul 5, 2005

Cold Fusion and Nuclear Reactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、RHICで生成されたクォーカー・グルーオン・プラズマが、弱い相互作用を示す気体ではなく、$T_c$ におけるチャーミカル相転移を越えても束縛状態を保つメソンによって形成される強相関的で、ほぼ完全な流体であると提案する。$T_c$ より上では赤外スレーブ（infrared slavery）が、$T_c$ より下では隠れた局所対称性のベクトル表現（VM）が成立し、チャーミカル・パートナーメソン（$\pi$, $S$, $\rho$, $a_1$）が質量ゼロのまま強く相関し、$T_c$ よりわずかに下では相互作用が消え、$T_c$ よりわずかに上では赤外スレーブによって再び強力な結合が出現し、高温で完全な流動性が生じる。

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.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突で生成される物質の性質、特にそのほぼ完全な流動性を説明すること。
• クォーカー・グルーオン・プラズマが弱い結合の自由クォーク・グルーオンの気体ではなく、強い相互作用を示す理由を解明すること。
• 隠れた局所対称性と赤外スレーブを用いて、チャーミカル相転移を越えて $\pi$, $S$, $\rho$, $a_1$ の振る舞いを統一的に説明すること。
• $T_c$ を越えて、エントロピーと自由度が32個のメソンから成るスピン・アイソスピン SU(4) マルチプレットと一致し、$T_c$ を越えて連続的であることを示すこと。

提案手法

• チャーミカル対称性の破れとメソン形成をモデル化するため、$\Lambda \approx 660$ MeV のカットオフを用いたナムブ＝ジョナ＝ラジン（NJL）モデルを用いる。これは $4\pi f_\pi/\sqrt{2}$ と整合的である。
• ベクトル表現（VM）を用いて、$T_c$ よりわずかに下でベクトルメソンの degeneracy が回復し、$\rho$ および $a_1$ メソンが質量ゼロであることを記述する。
• 赤外スレーブを用いて、$T_c$ よりわずかに上での $q\bar{q}$ 対の強力な束縛状態（エネルギーとサイズがゼロ）が、チャーミカル対称性回復のメソンとして出現することを記述する。
• 格子QCDのデータと二つのグルーオンの状態（ソフトおよびハードグルーオン）を統合し、チャーミカル相転移と次元変換の違いを区別する。
• 平均場近似と $\rho$ および $\sigma$（縦方向 $\rho$）を含むループ図を用いて、発散をキャンセルし、有効理論を安定化する。
• ウィレルソンのマッチングを導入し、構成クォークに適用。ベクトルメソンを含むとカットオフを $4\pi f_\pi \sim 1$ GeV まで引き上げ、チャーミカル不変性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もし系が弱い相互作用を示すクォーカー・グルーオン・プラズマでないならば、RHICで観測されたほぼ完全な流動性はどのように説明できるか？
• RQ2 チャーミカル相転移 $T_c$ を越えて、メソン自由度はどのように変化するか？
• RQ3 $T_c$ よりわずかに下で $\rho$ および $a_1$ メソンが質量ゼロのまま保たれる理由は何か？ これはベクトル表現とどのように関係するか？
• RQ4 相転移を越えて、32個の自由度（メソン）を維持しているのはなぜか？
• RQ5 $T_c$ よりわずかに下ではハドロン自由度（相互作用ゼロ）が成立し、$T_c$ よりわずかに上では赤外スレーブによって強力な結合が出現するというメカニズムは何か？

主な発見

• RHICで生成された物質は、$T_c$ より下から上まで、自由クォークではなく、スピン・アイソスピン SU(4) マルチプレットの32状態から成るメソンで構成されている。
• $T_c$ よりわずかに下では、$\pi$, $S$, $\rho$, $a_1$ メソンがベクトル表現（VM）により質量ゼロであり、相互作用が消えるため、「ハドロン自由度」の状態となる。
• $T_c$ よりわずかに上では、同じメソンが赤外スレーブによってエネルギーとサイズがゼロの強力な $q\bar{q}$ 対として再出現し、チャーミカル対称性回復のメソンを形成する。
• $T_c$ よりわずかに上では、$\rho$ および $a_1$ メソンは熱的質量効果と $p_0 \sim 2m_{\rm th}$ の分母により非常に小さな質量を持つ。$m_{\rm th} \gtrsim 1$ GeV である。
• プラズマのエントロピーは、32個のメソン的自由度と非常に高い精度で一致し、$T_c$ を越えてその持続性が確認される。
• メソンの液体化は $T \sim 2T_c$ にのみ発生し、散乱断面積が conformal fixed point を通過することで、$\eta/s \approx 1/4\pi$ の完全な流動性が生じる。