[论文解读] Dual Higgs Theory for Color Confinement in Quantum Chromodynamics

H. Ichie, Hideo Suganuma|ArXiv.org|Jun 8, 1999

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文基于双重超导机制，提出一种双重希格斯理论，以解释量子色动力学（QCD）中的色禁闭。通过格点QCD、单极电流动力学以及双重吉英斯堡-兰道（DGL）理论，该研究利用非对角胶子的随机相位近似，证明了弦张力中的阿贝尔主导性；通过作用量抵消机制识别出单极子的形成；并推导出单极子密度与禁闭力之间的关系，从而建立了一个用于有限温度QCD相变及早期宇宙强子泡动力学的理论框架。

ABSTRACT

Based on the dual superconductor picture, we study the confinement phenomena systematically, using the lattice QCD, the monopole-current dynamics and the dual Ginzburg-Landau (DGL) theory. (1) We study the origin of abelian dominance for the confinement force in the maximally abelian (MA) gauge in terms of the gluon-field properties using the lattice QCD. In the MA gauge, the off-diagonal gluon amplitude is strongly suppressed, and the off-diagonal gluon phase tends to be random, according to the weakness of the constraint from the QCD action. Within the random-variable approximation for the off-diagonal gluon phase, we show the perimeter law of the off-diagonal gluon contribution to the Wilson loop, i.e. abelian dominance for the string tension, in the semi-analytical manner. (2) We study the QCD-monopole structure in terms of the gluon field, using the lattice QCD in the MA gauge. Around the monopole, both abelian and off-diagonal parts of the QCD action become large, however, due to the cancellation between them, monopoles can appear in QCD without large cost of the QCD action. (3) We derive a simple relation between the confinement force and the monopole density by idealizing the monopole contribution to the Wilson loop. (4) We study the monopole current dynamics. (5) We consider the derivation of the DGL theory from the monopole ensemble. (6) We study the QCD phase transition at finite temperatures in the DGL theory. (7) We apply the DGL theory for the hadron-bubble formation in early Universe and quark-gluon-plasma formation process in the ultra-relativistic heavy-ion collision.

研究动机与目标

• 通过双重超导图像建立QCD中色禁闭的理论框架。
• 通过非对角胶子相位统计，研究在最大阿贝尔规范下阿贝尔主导性的起源。
• 阐明QCD单极子如何在阿贝尔与非对角胶子贡献之间实现抵消，从而在不付出大作用量代价的情况下形成。
• 推导单极子密度与禁闭力之间的定量关系。
• 将双重吉英斯堡-兰道理论从单极子系综推广，并应用于有限温度QCD相变及早期宇宙强子泡形成问题。

提出的方法

• 在最大阿贝尔规范下进行格点QCD模拟，以分析胶子场构型并抑制非对角分量。
• 对非对角胶子相位实施随机相位近似，推导威尔逊环的周长律，支持阿贝尔主导性。
• 通过局域QCD作用量分解识别单极子结构，揭示阿贝尔部分与非对角部分贡献之间的抵消。
• 将单极子对威尔逊环的贡献理想化，推导出单极子密度与禁闭力之间的直接关系。
• 建立单极子电流动力学，将禁闭描述为一种双重希格斯机制。
• 从单极子系综推导出双重吉英斯堡-兰道理论，从而为禁闭提供有效的场论描述。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最大阿贝尔规范下，威尔逊环弦张力中的阿贝尔主导性源于何处？
• RQ2 QCD单极子如何在QCD作用量代价较小的情况下形成？
• RQ3 QCD中单极子密度与禁闭力之间的定量关系是什么？
• RQ4 如何从单极子的统计系综推导出双重吉英斯堡-兰道理论？
• RQ5 双重希格斯机制对有限温度QCD相变及早期宇宙强子泡形成有何影响？

主要发现

• 在随机相位近似下，非对角胶子对威尔逊环的贡献遵循周长律，证实了弦张力中的阿贝尔主导性。
• QCD中的单极子由于阿贝尔部分与非对角部分作用量的抵消而形成，从而以极小的作用量代价实现。
• 推导出单极子密度与禁闭力之间的简洁关系，将微观单极子结构与宏观禁闭现象联系起来。
• 建立了单极子电流动力学，为通过双重希格斯机制描述禁闭提供了动力学描述。
• 从单极子系综推导出双重吉英斯堡-兰道理论，为禁闭提供了一套系统的有效场论。
• 将DGL理论应用于有限温度QCD相变建模及早期宇宙中强子泡形成，以及重离子碰撞中夸克-胶子等离子体的演化。