[论文解读] Identifying the presence of the critical end point in QCD phase diagram by higher order susceptibilities

Wenkai Fan, X. Luo+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 44被引用 7

一句话总结

本研究利用Nambu-Jona-Lasinio模型研究了密集夸克物质中高达八阶的重子数敏感度（最高至八阶），以区分QCD临界端点（CEP）与快速交叉转变。研究发现，两种情形在涨落的符号模式上表现相似，但临界端点会产生显著更大的信号幅度，特别是在相变边界附近，表明实验上需跨多个冻结-out曲线测量才能准确识别CEP。

ABSTRACT

For the first time, we investigate susceptibilities of dense quark matter up to $8$th order using an effective model. Generally higher order susceptibilities will have more sign changes and larger magnitude, thus should give more information about the presence and location of the conjectured QCD critical end point (CEP). Two cases are studied, one with the CEP and one being crossover phase transition throughout the QCD phase diagram. It is found that a rapid crossover transition can also give similar sign pattern as the case with the CEP and yield large signal. We propose that using several kinds of ions for collision to search for a wider range on the QCD phase diagram may help.

研究动机与目标

• 确定高阶重子数敏感度是否能够区分QCD相图中临界端点（CEP）与快速交叉转变的存在。
• 通过有效夸克模型评估高阶涨落（最高至八阶）对临界端点附近临界现象的敏感度。
• 评估当前或未来关于守恒电荷涨落的实验数据是否能可靠地指示CEP的存在。
• 探讨通过测量不同离子碰撞所得的多条冻结-out曲线上的涨落，识别CEP的可行性。
• 比较含CEP与不含CEP的模型中，符号变化与振幅量级的差异，重点关注符号变化与振幅缩放。

提出的方法

• 采用包含标量、矢量及t’Hooft相互作用的三味Nambu-Jona-Lasinio（NJL）模型，描述接近QCD相变的致密夸克物质。
• 采用平均场近似，推导在不同重子化学势与温度下，组成夸克质量与化学势的自洽方程。
• 在两种情形下计算高阶重子数敏感度（最高至八阶）：一种为含CEP情形（矢量耦合为零），另一种为无CEP情形（非零矢量耦合，仅产生交叉转变）。
• 分析相图中，特别是在一阶相变线与交叉线附近，敏感度的符号模式与幅度缩放特性。
• 绘制敏感度幅度超过阈值（5^n 与 10^n）的区域，以识别实验可探测的信号强度。
• 比较两种情形下，在相变边界附近符号翻转与信号增长的行为，以评估其可区分性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高阶重子数敏感度（最高至八阶）能否区分QCD临界端点与快速交叉转变？
• RQ2 临界端点与交叉转变相变的高阶涨落符号模式是否存在显著差异？
• RQ3 高阶涨落中较大的信号幅度是否可作为CEP的特征信号，还是也可能在快速交叉转变中出现？
• RQ4 通过多条不同离子碰撞的冻结-out曲线测量涨落，能在多大程度上帮助定位CEP？
• RQ5 在存在或不存在CEP的情况下，高阶敏感度的符号变化次数在相变边界附近如何变化？

主要发现

• 在临界端点与交叉转变两种情形下，高阶重子数敏感度的符号模式在相边界附近定性相似，仅靠符号分析不足以区分两者。
• 在临界端点情形中，临界端点附近信号幅度急剧增大，敏感度幅度在较大区域内超过10^n，而交叉转变情形仅表现出微弱且局部的信号。
• 在临界端点情形中，沿一阶相变线，敏感度比值的符号翻转次数随阶数增加，表明其与交叉转变情形存在拓扑差异。
• 在交叉转变情形中，沿交叉线，符号翻转次数随阶数增加，表明仅靠符号翻转分析无法可靠识别CEP。
• 快速交叉转变也可能产生与临界端点附近预期相似的较大信号幅度，表明幅度本身并非临界性的决定性指标。
• 本研究结论认为，必须通过测量来自不同离子种类的多条冻结-out曲线上的涨落，才能减少定位CEP的不确定性，因为这有助于追踪信号向相边界增长的过程。