[论文解读] Negative moment of inertia and rotational instability of gluon plasma

V. V. Braguta, M. N. Chernodub+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 57被引用 3

一句话总结

通过第一性原理的晶格 SU(3) 规范理论模拟，本研究发现，在临界 '超旋涡' 温度 $ T_s = 1.50(10)T_c $ 以下，刚性旋转胶子等离子体的等温转动惯量变为负值，表明刚性旋转存在热力学不稳定性。这种不稳定性源于尺度反常和热磁胶子凝聚，与克尔黑洞和迈尔斯-珀利黑洞的旋转不稳定性具有显著相似性。

ABSTRACT

Using first-principle numerical simulations of the lattice SU(3) gauge theory, we calculate the isothermal moment of inertia of the rigidly rotating gluon plasma. We find that the moment of inertia unexpectedly takes a negative value below the "supervortical temperature" $T_s = 1.50(10) T_c$, vanishes at $T = T_s$, and becomes a positive quantity at higher temperatures. The negative moment of inertia indicates a thermodynamic instability of rigid rotation. We derive the condition of thermodynamic stability of the vortical plasma and show how it relates to the scale anomaly and the magnetic gluon condensate. The rotational instability of gluon plasma shares a striking similarity with the rotational instabilities of spinning Kerr and Myers-Perry black holes.

研究动机与目标

• 通过第一性原理的晶格模拟，研究热平衡状态下刚性旋转胶子等离子体的机械稳定性。
• 确定刚性旋转在穿越禁闭相变点，尤其是临界温度 $ T_c $ 附近，是否仍保持热力学稳定性。
• 阐明分析与数值研究在旋转 QCD 等离子体临界温度预测上存在矛盾的原因。
• 探讨非微扰效应，特别是磁胶子凝聚和尺度反常，在旋转不稳定性中的作用。

提出的方法

• 在有限温度和角速度下，对晶格 SU(3) 规范理论进行第一性原理数值模拟。
• 在共转参考系中计算自由能，通过 $ I = -\frac{1}{\Omega} \left( \frac{\partial F}{\partial \Omega} \right)_T $ 提取角动量和转动惯量。
• 从虚时频率的马苏巴模式经解析延拓至实时间区域，以提取真实时间区域的物理可观测量。
• 将直接旋转晶格计算结果与使用体积积分法的非旋转晶格结果进行比较，以验证解析延拓过程的可靠性。
• 分析热磁胶子凝聚及其对电浆机械响应的贡献。
• 推导涡旋电浆的热力学稳定性条件，将其与尺度反常及非微扰胶子动力学联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 刚性旋转的胶子等离子体是否在热平衡下导致负的转动惯量？若存在，其条件为何？
• RQ2 旋转胶子等离子体中负转动惯量的起源是什么？其与非微扰 QCD 效应有何关联？
• RQ3 在转动惯量消失的超旋涡温度 $ T_s $ 处，该温度如何与禁闭相变及尺度反常相关联？
• RQ4 为何分析与数值方法对旋转 QCD 等离子体的临界温度预测存在矛盾？通过考虑磁胶子凝聚能否解决该差异？
• RQ5 胶子等离子体的旋转不稳定性在多大程度上与旋转黑洞的不稳定性相似？

主要发现

• 刚性旋转胶子等离子体的等温转动惯量在 $ T_s = 1.50(10)T_c $ 以下变为负值，表明刚性旋转存在热力学不稳定性。
• 在 $ T = T_s $ 时，转动惯量消失，标志着一个类似于超导相变的临界转变点。
• 在 $ T_s $ 以上，转动惯量变为正值，刚性旋转的稳定性得以恢复。
• 负转动惯量源于尺度反常与热磁胶子凝聚之间的相互作用，后者贡献了负的机械响应。
• 胶子等离子体的旋转不稳定性与旋转克尔黑洞及迈尔斯-珀利黑洞的不稳定性具有强烈的定性相似性，二者均由非微扰量子效应驱动。
• 本研究通过表明尺度反常与磁凝聚必须在旋转 QCD 等离子体理论模型中被正确考虑，从而调和了文献中相互矛盾的预测。