[论文解读] QCD phase diagram at high temperature and density

Mei Huang|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2010

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文综述了高温高密度下的QCD相图，重点讨论了在RHIC上发现的强子胶子等离子体（sQGP）以及高重子密度下无能隙色超导体的相结构。研究指出，焓变与熵密度之比可作为定位临界端点的探针，并阐明了导致无能隙色超导物质中非均匀相形成的三种不稳定性——胶磁不稳定性、Sarma不稳定性与希格斯不稳定性。

ABSTRACT

This article reviews recent progress of QCD phase structure, including color superconductor at high baryon density and strongly interacting quark-gluon plasma (sQGP) at high temperature created through relativistic heavy ion collision. A brief overview is given on the discovery of sQGP at RHIC. The possibility of locating the critical end point (CEP) from the property of bulk viscosity over entropy density is discussed. For the phase structure at high baryon density, the status of the unconventional color superconducting phase with mismatched pairing is reviewed. The chromomagnetic instability, Sarma instability and Higgs instability in the gapless color superconducting phase are clarified.

研究动机与目标

• 总结近年来在高温度和高重子密度极端条件下理解QCD相图的最新进展。
• 回顾RHIC上强子胶子等离子体（sQGP）的实验发现与理论表征。
• 研究利用焓变与熵密度之比来定位QCD相图中临界端点（CEP）的可能性。
• 分析无能隙色超导相的稳定性与相结构，特别是胶磁不稳定性、Sarma不稳定性与希格斯不稳定性的作用。
• 阐明由于这些不稳定性在致密夸克物质中导致非均匀态（如平面波态与条纹相）的出现机制。

提出的方法

• 利用流体动力学模拟与相对论流体动力学，模拟相对论重离子碰撞中形成的夸克-胶子等离子体的演化过程。
• 应用微扰QCD与有效场论描述sQGP区域，特别分析剪切黏度与熵密度之比。
• 采用AdS/CFT对偶性，为剪切黏度建立下限，表明sQGP是一种近乎完美流体。
• 使用Gorkov-Nambu形式化与序参量的非线性实现方法分析无能隙色超导相中的不稳定性。
• 评估库仑相互作用与梯度能如何与希格斯不稳定性竞争，以确定最稳定的基态结构。
• 比较候选态（混合相、FF、LO及多平面波态）的自由能，以识别最稳定的构型。

实验结果

研究问题

• RQ1 焓变与熵密度之比是否可作为定位QCD相图中临界端点（CEP）的特征信号？
• RQ2 在无能隙色超导相中会出现哪些不稳定性？它们如何影响超导序参量的空间结构？
• RQ3 在夸克物质中存在能隙配对不匹配的情况下，胶磁不稳定性、Sarma不稳定性与希格斯不稳定性如何竞争或共存？
• RQ4 为何非对称超冷原子系统表现出相分离而非LOFF态？这对夸克物质意味着什么？
• RQ5 相干长度与动量尺度 $k_{\text{min}}$ 在决定非均匀超导相稳定性方面起什么作用？

主要发现

• 在RHIC上产生的sQGP表现出剪切黏度与熵密度之比接近AdS/CFT所预测的下限 $1/(4\tau)$，表明其为迄今观测到的最完美流体。
• 焓变与熵密度之比（$\zeta/s$）在一级相变附近急剧上升，并在二级相变临界温度处出现尖点，表明其可作为临界端点的探测工具。
• 在无能隙色超导相中，序参量的相位部分对胶磁不稳定性不稳定，倾向于形成平面波态。
• 序参量的幅值部分同时受到Sarma与希格斯不稳定性的影响；尽管电荷中性可缓解Sarma不稳定性，但库仑相互作用无法消除希格斯不稳定性。
• 希格斯不稳定性导致形成具有特征长度尺度的非均匀态，该尺度与2SC相的相干长度相当，表明倾向于形成空间调制的结构。
• 数值分析表明 $l \sim k_{\text{min}}^{-1}$，当 $l/\xi < 1$ 时，相分离在能量上更占优，支持非均匀相的出现。