虚数化学ポテンシャルを利用した QCD 相図の研究 柏浩司 理研 BNL 研究センター 共同研究者 : 河野宏明 ( 佐賀大学 ) 八尋正信 ( 九州大学 ) 境祐二 ( 理化学研究所 ) 佐々木崇宏 ( 九州大学 ) Robert D. Pisarski Vladimir V. Skokov (B

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1 虚数化学ポテンシャルを利用した QCD 相図の研究 柏浩司 理研 BNL 研究センター 共同研究者 : 河野宏明 ( 佐賀大学 ) 八尋正信 ( 九州大学 ) 境祐二 ( 理化学研究所 ) 佐々木崇宏 ( 九州大学 ) Robert D. Pisarski Vladimir V. Skokov (Brookhaven National Laboratory, 理研 BNL 研究センター ) (Brookhaven National Laboratory) Related topic: 三角樹弘 ( 慶応大学 ) 門内晶彦 ( 理研 BNL 研究センター )

2 Introduction : Quark and gluon 本発表のテーマ : 有限温度 密度における量子色力学 (QCD) の相構造 ( 時間があれば標準理論を越えた物理への関係も ) 少なくともクォークやグルーオンが単体で観測されたことはない クォークとグルーオンはハドロン内部に閉じ込められている 疑問 : 異なる状態は存在するのか? もし存在するならば どのような条件下で? Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) や Large Hadron Collider (LHC) の実験ではハドロンの状態では説明できない実験データが得られている! どのような状態になっているのか? どのような状況で実現するのか?

3 Introduction : Phase diagram 相図 : 相と熱理学的状態量を示した図 例えば水 クォーク グルーオン系の相図? 図 写真 :from Wikipedia

4 Introduction : Phase diagram 相図 : クォーク グルーオン系 様々な相が予想されているが 最近の予想図 K. Fukushima, T. Hatsuda, Rept. Prog. Phys. 74 (2011) あくまで予想 定量的にも定性的にもはっきりしていない

5 Introduction : Phase diagram 相図 : クォーク グルーオン系 実験や観測にも重要! Early universe LHC RHIC SPS AGS JPARC GSI KEK-PS Compact star ρ 0

6 Phase transition カイラル相転移カイラル対称性 : 今回の発表で取り扱う相転移 ( 主に非閉じ込め相転移 ) σ = 0 σ 0 QCD においてクォークの左巻き成分と右巻き成分を独立に変換した際の対称性 秩序変数 : カイラル凝縮 ( カレント質量 0 において ) σ = qq 陽子や中性子の質量の大部分の由来 非閉じ込め相転移 T, µ, V F ポリヤコフ - ループ 1 Φ= Tr L N c Z 3 対称性 (SU(3) 群の中心 ) : 純ゲージ理論における対称性 ( 虚数時間方向の境界で twist させる ) 1- クォークの自由エネルギー Φ / ~ e F T Φ= 0 L F = Φ= 1 L F = 0 L. D. McLerran and B. Sve1tsky, Phys. Rev. D 24 (1981) 450.

7 Problem? QCD の第一原理計算は格子 QCD( 数値 ) 計算 符号問題 Dirac operator : µ M ( µ ) = γ D + γ µ + m q µ 4 q 0 Sta1s1cal dynamics Z( µ ) = Udet[ ] exp( S ) q D M G ( S ) 1 O = U det[ ] exp G Z D O M 確率 符号問題を回避 ( 解決 ) する試み 確率 ( と解釈している部分 ) が負になったり複素数になると問題! Par11on func1on Z() τ = exp( βε ) Probability P i exp( βε ) Z() τ 1 ( ε1) = 1 i テーラー展開法 最重みつけ法 解析接続 カノニカルアプローチ 等が提案されているが高実数化学ポテンシャル領域へは到達できない

8 Problem? 第一原理計算が無理なら有効模型 ( もしくは理論 ) は? Cri1cal endpoint が一つでない可能性もある NJL+CSC+Gv case 模型の不定性 M. Kitazawa, T. Koide, T. Kunihiro and Y. Nemoto, Prog. Theor. Phys. 108 (2002) 929. Ginzburg- Landau approach M. Stephanov, Prog. Theor. Phys. Suppl. 153 (2004) 139. T. Hatsuda, M. Tachibana, N. Yamamoto and G. Baym, Phys. Rev. lex, 97 (2006)

9 Sign problem free systems 以上の理由のため 格子 QCD でも有効模型でも信頼できる相図を得ることができていない 符号問題のない場合 : 虚数化学ポテンシャルアイソスピン化学ポテンシャル ( ただしバリオン化学ポテンシャルは0) 2 カラー QCD などなど これらを利用できないか? 虚数化学ポテンシャルを利用して我々の手法 格子 QCD( 数値 ) 計算と模型計算をより密接に結びつける

10 Z 3 symmetry Z 3 対称性 純ゲージ理論 : 非閉じ込め相での模式図 Im Φ 閉じ込め 虚数化学ポテンシャルを考える前に純ゲージ理論を考える 三つの縮退した極小値は純ゲージ理論の持つ Z 3 対称性からくる 非閉じ込め Re Φ クォークは Z 3 対称性を破る 三つの縮退した極小値の内二つは mtastable に 虚数化学ポテンシャルを入れると? クォークの寄与 (explicit center symmetry breaking)

11 Imaginary chemical potential A. Roberge and N. Weiss, Nucl. Phys. B275 (1986) 734. 虚数化学ポテンシャルには特徴的な性質がある 相図 : 虚数化学ポテンシャル ( 物性系の AB phase がある場合に似ているが異なる ) Roberge Weiss (RW) phase transition line 2π/3 非自明な対称性が現れる Roberge- Weiss (RW) 周期性 RW endpoint 横軸方向に一次相転移が現れる RW 相転移 実数化学ポテンシャルとは全く異なる

12 Imaginary chemical potential 相図 : 虚数化学ポテンシャル A. Roberge and N. Weiss, Nucl. Phys. B275 (1986) π/3 偶関数はとがりを 奇関数は飛びを持つ この共存については K.K., M. Yahiro, H. Kouno, M. Matsuzaki, Y. Sakai, J. Phys. G 36 (2009) フーリエ変換 : Fugacity 展開 : µ T + Bµ R / T ZGrand Canonical ( T, µ R) = e ZCanonical( T, B) + I ibµ I / T ZCanonical ( T, B) = d e Z Grand Canonical B=

13 Standard methods : Analytic continuation 解析接続を利用 図 : P. de Forcrand, S. Kratochvila, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 153 (2006) 62. 格子 QCD 計算結果だけを元に計算 : 虚数化学ポテンシャルでデータを集める 接続するための関数を用意する 例 : PNM [, ]( µ ) i = a0 + a1µ + L + a µ b + bµ + + b µ 0 1 M i M i N i L N i

14 Standard methods : Canonical approach カノニカル分配関数を利用 図 : P. de Forcrand, S. Kratochvila, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 153 (2006) 62. µ T + I ibµ I / T ZCanonical ( T, B) = d e Z Grand Canonical Maxwell contrac1on を調べる 一次相転移があるならば ( 有限系において )S 字型が得られる! S 字型が消える温度をサーチする

15 Problem? 収束半径の問題がある (Analytic continuation) 相転移次数の変化はわからない (Analytic continuation) 系のサイズを大きくしずらい (Canonical approach) カラー超伝導相などは議論できない (Canonical approach, Analytic continuation) そこで 有効模型と組み合わせる 相転移のダイナミクスは入っている パラメータなどを虚数化学ポテンシャルで決める 密度の情報が入っているので 構築した模型を実数化学ポテンシャルに使える

16 Recent model development どのような模型を使えばよいか? フェルミオン L Nambu- Jona- Lasinio 模型を元にする µ r = qi ( γ m) q+ G qq + ( qi q) µ ( 2 ( ) ) 2 γ τ 0 s 5 グルーオンの寄与を適切に取り込んでいない場合 RW 周期性は無くなり自明な 2 π 周期性のみになる Nambu Jona - Lasinio (NJL) 模型 ( この模型は 2π 周期性しか持たない ) Polyakov-loop extended Nambu Jonal Lasinio (PNJL) 模型 L µ = qi ( γ D m) q+ G qq + ( qi r q) U( Φ, Φ) µ 平均場近似 ( 2 ( ) ) 2 γ τ 0 s 5 熱力学ポテンシャル Ω V 3 d p P M f 3 c ( βe βe 3βE ) = U + U 2 N N E( p) + Tln 1 + ( Φ+Φ e ) e + e (2 π ) U = Gσ Gω 2 2 M s v Quark- meson 模型も使われているが基本的には NJL 模型と同等 T. Eguchi, Phys. Rev. D14 (1976) K. Fukushima, Phys. Lett. B 591 (2004) 277. グルーオンからの寄与 ( 純ゲージ理論において決定 ) ( βe βe 3βE ) Tln 1 + ( Φ+Φ e ) e + e

17 Recent model development グルーオン どの模型を使っても ( クォーク部分を正確に取り扱うと ) RW 周期性は保たれる 純ゲージ極限では格子 QCD 計算が可能なので それを再現するように用意 Polyakov- loop poten1al 純ゲージ理論での強結合展開 K. Fukushima, Phys. Lett. B 591 (2004) 277. Meisinger- Miller- Ogilvie model グルーオンに質量 (like) なパラメータを入れ その有効ポテンシャルの高温展開 ( 二次まで ) P. N. Meisinger, T. R. Miller, M. C. Ogilvie, PRD 65 (2002) Matrix model for deconfinement MMO 模型の拡張 A. Dumitru, Y. Guo, Y. Hidaka, C. P. K. Altes, R. D. Pisarski, PRD 83 (2011) Effec1ve poten1al from (Landau gauge) gluon and ghost propagator 格子 QCDでのグルーオンとゴーストの伝播関数を利用 K. Fukushima, K.K., Phys. Lett. B 723 (2013) 360.

18 Results 模型の不定性 : クォークの寄与 ベクター型相互作用 : v ( γ µ ) 2 G q q ω 0 mode に関係し クォーク数密度に敏感な相互作用 Y. Sakai, K. K, H. Kouno, M. Matsuzaki and M. Yahiro, Phys. Rev. D 79 (2009) Set C θ = 0 θ = 0.4 θ = 0.8 θ =1.0 例えば K. K., H. Kouno, M. Matsuzaki and M. Yahiro, Phys. Lett. B662 (2008) 26. 相互作用が大きい場合 cri1cal endpoint が消滅し 相図が定量的にも定性的にも変わってしまう Lattice data: P. de Forcrand and O. Philipsen, Nucl. Phys. B 642 (2002) 290. L. K. Wu, X. Q. Luo and H. S. Chen, Phys. Rev. D 76 (2007)

19 Results K.K., V. V. Skokov, R. D. Pisarski, Phys. Rev. D85 (2012) K.K., R. D. Pisarski, Phys. Rev. D87 (2013) 模型の不定性 : グルーオンの寄与 フェルミオン部分だけでなくグルーオン部分にも強い模型依存性 Colombia plot ゼロ化学ポテンシャル RW endpoint Polyakov- Log は 1 GeV までには相境界がない 相転移の次数をクォークの質量でプロットした図 Matrix クォーク質量が大きい領域でグルーオン部分の不定性が大きく現れる RW endpoint 上では 1st の領域が広がり 大きな変化が生じる可能性がある フェルミオン部分の不定性にも依存するが 部分が全てに一次になる場合がある

20 Other topic : Center domain in heavy ion collision Center domain structure 純ゲージ理論での Z3 対称性の名残りより もし擬臨界温度より高い温度が実験において実現されたならば center domain 構造が現れる可能性がある いろいろな実験結果が自然に説明できる 純ゲージ理論を使った先行研究 : M. Asakawa, S. A. Bass, B. Müller, Phys. Rev. Lett. 110 (2013) クォークの寄与を入れるとより自然に記述できる K.K., A. Monnai, in preparation. ジェットクエンチング Share viscosity と entropy density の比の変化 等々 Global minima Metastable ただし center domain が物理的ではないという主張もある V. Belyaev, I. I. Kogan, G. Semenoff, and N. Weiss, Phys.Lett. B277 (1992) 331. A. V. Smilga, Ann. Phys. 234 (1994) 1. LHC より更に高い温度が実現された場合 急激な viscosity の変化が見える可能性 ( 有効的なフレーバー数が変わり meta- stable minima が実現しなくなる ) 虚数化学ポテンシャルを利用して Z 3 対称性 ( のレムナント ) を調べることは実験結果の解釈にも有用

21 Related topic : Hosotani mechanism 虚数化学ポテンシャルは QCD 相図の研究以外でも重要 標準模型を超えた理論の構築にも フェルミオン松原振動数 ω n f = 2πT (n + 1/2) + µ I 虚数化学ポテンシャル 反周期境界条件より この部分はまさに虚数化学ポテンシャル 任意の境界条件下での松原振動数 ω n φ = 2πT (n + φ) ω n φ = 2πT (n + 1/2) πt + 2πTφ フェルミオンの境界条件は細谷機構に重要! 細谷機構 : Y. Hosotani, Phys. LeX. B 126 (1983) 309; Ann. Phys. 190 (1989) 233. もし余剰次元が系に非単純に結合しているとき ( ゲージ対称性の破れが起きるとき ) 余剰次元成分のゲージ場がゼロでない真空期待値を持つ ヒッグス粒子は余剰次元成分のゲージ場の揺らぎと解釈できる

22 Related topic : Hosotani mechanism Wilson loop in compacted direc1on Eigen value 以下では虚時間軸をコンパクト次元としている N 個の位相 (q i ) 独立な位相は N- 1 個 例えば, q 1 = q 2 q 3 : SU(2) U(1), q 1 q 2 q 3 : この場合ゲージ対称性が破れる U(1) U(1) apbc adjoint PBC adjoint K.K., T. Misumi, JHEP 05 (2013) 042. Large m Medium m Small m SU(3) SU(2) U(1) U(1) U(1)

23 Summary 格子 QCD 計算と有効模型計算をこれまで以上に結びつけ 相図の研究を行った 虚数化学ポテンシャルが実数化学ポテンシャルの情報をほぼ全て有している 符号問題がないため格子 QCD 計算が実行可能 虚数化学ポテンシャル領域で相互作用を決定し その模型を用いて相図を描いた より正確な相図を描くには更に格子 QCD 計算のデータが必要だが 実数化学ポテンシャル領域を定量的に議論できる可能性を示した 虚数化学ポテンシャルを利用することで center domain 構造をより正確に調べることができる ジェットクエンチングなどへの影響 虚数化学ポテンシャルはフェルミオンの境界条件に変換できるため 細谷機構の研究にも関係する 標準理論を越えた物理への適用

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