[论文解读] Quantum entanglement in the initial and final state of relativistic heavy ion collisions

R. Bellwied|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 17被引用 11

一句话总结

本文提出，相对论性重离子碰撞初始态中的量子纠缠通过将初始纠缠熵与最终态热力学熵通过共形场论导出的时间依赖温度联系起来，生成了有效热分布，从而解释了在RHIC和LHC观测到的轻核与超核的粒子多重数和产额。该模型通过将初始纠缠熵与最终态热力学熵建立一一对应，为看似热化及化学冻结温度固定的表观热化行为提供了微观起源，即使对于结合能较弱的复合态也是如此。

ABSTRACT

The possibility of quantum entanglement leading to a seemingly thermal distribution of the initial partonic state that maps to the final hadronic state in the evolution of the deconfined phase generated in relativistic heavy ion collisions is discussed in the context of early thermalization and final state particle distributions obtained in experiments at RHIC and the LHC.

研究动机与目标

• 解释在RHIC和LHC的重离子碰撞中观测到的轻核与超核产额异常偏高现象，该现象与纯强子凝聚模型不一致。
• 解决粒子多重数和产额为何遵循热分布的谜题，尽管复合粒子的结合能远低于冻结温度。
• 提出初始部分子相中的量子纠缠，特别是软胶子区，导致有效热化，并固定了最终态的每核子熵。
• 建立初始纠缠熵与最终热力学熵之间的一一对应关系，为观测到的化学冻结温度能量无关性提供微观基础。
• 将重离子碰撞中的表观热行为与量子纠缠统一，提出热拟合中的有效温度反映的是初始纠缠而非热平衡。

提出的方法

• 利用共形场论从强耦合、胶子饱和初始态中的纠缠熵推导出时间依赖温度 T = 1/(2πτ)。
• 将初始态建模为具有相反波数的准粒子最大纠缠系统，其中纠缠熵随纠缠体积（L = τΔη）对数增长。
• 应用1+1维CFT中的Calabrese-Cardy公式计算纠缠熵：S(τ, Δη) = (c/3) ln(2τ/ϵ sinh(Δη/2)) + const.，将纠缠与有效温度联系起来。
• 提出初始态的纠缠熵可直接映射到最终强子态的热力学熵，从而保持粒子多重数。
• 将部分子-强子对偶性扩展至包含非微扰软胶子贡献，将颜色玻璃凝聚体（CGC）的饱和尺度与最终态粒子产额联系起来。
• 论证在部分子演化过程中退相干必须极小，以使纠缠能持续到强子化阶段，从而实现复杂强子态的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 重离子碰撞初始态中的量子纠缠能否解释观测到的类热谱和轻核与超核的产额？
• RQ2 初始胶子饱和态中的纠缠熵在多大程度上决定了最终态的热力学熵和粒子多重数？
• RQ3 为何化学冻结温度在RHIC与LHC能量下保持近似恒定？这能否由初始纠缠而非热平衡来解释？
• RQ4 若未处于热平衡，为何结合能较弱的复合粒子（如轻核）能存活于高温QGP相？
• RQ5 在QCD交叉点是否存在初始纠缠熵与最终热力学熵之间的直接、一一映射？

主要发现

• 由纠缠熵导出的时间依赖温度 T = 1/(2πτ) 随时间增加和纠缠体积增大而减小，表现出类似热化的行为。
• 初始态中主导于软胶子的纠缠熵可直接映射到最终热力学熵，为观测到的每核子熵提供了微观起源。
• 该模型解释了化学冻结温度（≈150–160 MeV）的能量无关性，其根源在于饱和尺度的达到，从而固定了初始纠缠程度。
• 轻核与超核的产额与Hagedorn温度下的热拟合一致，但该模型将其归因于初始纠缠而非热平衡。
• 该模型预测，基于共同的纠缠驱动温度，高统计量LHC运行（自2021年起）可探测到多奇异、多夸克态（如超核）。
• 重离子碰撞中的表观热行为，包括非泊松累积量涨落，可通过软胶子区的纠缠来解释，其对KNO标度的违反与实验数据一致。