[论文解读] Langevin dynamics and decoherence of heavy quarks at high temperatures

Yukinao Akamatsu|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文通过将重夸克的色自由度量子化，推导出高温夸克-胶子等离子体中重夸克的经典朗之万方程。研究识别出动量空间与色空间中的宏观叠加态，表明退相干时间尺度 Δt ∼ √(M/(C_F γ)) 决定了经典模拟的合适离散化时间，对重夸克强子化及重离子碰撞中的实验可观测量具有影响。

ABSTRACT

A Langevin equation of heavy quarks in high-temperature quark-gluon plasma is derived. The dynamics of heavy quark color is coupled with the phase space dynamics and causes a macroscopic superposition state of heavy quark momentum. Decoherence of the superposition state allows one to use a classical description. The time scale of decoherence gives an appropriate discretization time scale $Δt\sim \sqrt{M/C_{ m F}γ}$ for the classical Langevin equation, where $M$ is heavy quark mass and $γ$ is heavy quark momentum diffusion constant.

研究动机与目标

• 通过考虑量子色自由度，发展重夸克在夸克-胶子等离子体中动力学的自洽经典描述。
• 识别动量空间与色空间中量子叠加态退相干的时间尺度，从而实现经典朗之万动力学。
• 为重夸克输运的数值模拟推导出一个物理上合理的离散化时间尺度 Δt。
• 探讨该退相干时间尺度对重夸克偶素产生及重离子碰撞中实验可观测量的物理解释影响。

提出的方法

• 将重夸克视为与热介质通过约化密度矩阵形式描述的开放量子系统。
• 利用施温格-凯尔迪什形式化和非平衡有效场论，推导重夸克密度矩阵的主方程。
• 在主方程中识别出随机力与耗散项，通过高斯白噪声表示，从而得到朗之万型方程。
• 引入Wigner函数表示，将量子色动力学与经典相空间演化联系起来。
• 在相空间与色空间的Wigner函数之间引入因子化假设，以实现动力学的解耦。
• 从质量 M、色因子 C_F 与动量扩散常数 γ 的相互作用中确定退相干时间尺度 Δt ∼ √(M/(C_F γ))。

实验结果

研究问题

• RQ1 当重夸克的色自由度被量子化时，经典朗之万方程的正确离散化时间尺度是什么？
• RQ2 QCD的非阿贝尔性质如何导致重夸克动量与色空间中的宏观叠加态？
• RQ3 该叠加态的退相干是否能为QGP中重夸克使用经典朗之万动力学提供依据？
• RQ4 所推导的退相干时间尺度对重夸克强子化及实验可观测量有何物理解释影响？
• RQ5 量子色动力学如何影响朗之万方程中的动量扩散与阻力力？

主要发现

• 退相干时间尺度 Δt ∼ √(M/(C_F γ)) 决定了QGP中重夸克经典朗之万模拟的合适离散化时间。
• 对于温度 T ≈ 200 MeV 下的 charm 夸克，Δt ≈ 3 fm；对于 bottom 夸克，Δt ≈ 5 fm，两者均与QGP寿命约10 fm相当。
• 重夸克动量与色的宏观叠加态可能持续到冻结-out阶段，可能影响强子化过程。
• 该时间尺度短于典型的强子化时间尺度 1/Λ_QCD ≈ 1 fm，表明该叠加态在强子化过程中可能被分辨。
• 所推导的朗之万方程将经典相空间动力学与量子色动力学耦合，要求对退相干过程进行一致处理。
• 相空间Wigner函数的Kramers方程显式依赖于量子色态，表明色动力学无法与动量演化解耦。