强子气与夸克胶子等离子体之间平滑过渡的热场动力学研究

目前，RHIC上的重离子碰撞实验已发现新物质形态- - -夸克胶子等离子体(QGP)。格点QCD在高温零化学势情况下的计算表明从强子到夸克胶子等离子体的转变是平滑过渡(crossover)。但平滑过渡的微观机制尚不清楚。目前描述平滑过渡的模型，例如AMPT、qMD，都明显违背色禁闭，因而不能成立。项目申请人在博士论文中提出了一个平滑过渡的微观机制，即分子型聚集，在Phys. Rev. Lett.发表。本项目拟在此基础上，在有限温度场论的框架下计算强子气环境中的夸克间相互作用势随温度的变化行为，以寻找分子型聚集的动力学原因；并研究Dirac海和瞬子对夸克势的影响，以了解瞬子在解禁闭的平滑过渡过程中扮演的角色；同时构建一个有限温度下的介质中的势模型，用来描绘禁闭如何逐渐解除。这些研究将使我们对平滑过渡的动力学机制有一个全新的认识。

相对论重离子碰撞中相变的研究以及临界点的探寻是十分重要的物理问题。基于前期工作——假定从强子气到夸克胶子等离子体的平滑过渡是通过强子成团而实现的，即随着温度升高，强子间成键，多个强子通过成键而结合，成为分子型的团。把强子团组成的系统当作理想气体，通过对具有分子型结构的核物质的热力学量的计算，发现压强是温度的增函数，在某一温度处（记为Tc），压强趋于无穷大。Tc是具有分子型结构的强子气的极限温度。这非常类似于文献中的Hagedorn limiting temperature。极限温度的存在表明，具有分子型结构的强子气不可能存在于极限温度之上，这暗示了核物质在高温下的相转变。该研究的意义在于，有文献计算了具有口袋结构的核物质的热力学性质，其热力学行为表明从强子物质到夸克物质是平滑过渡（零化学势条件下）。本项目指出，平滑过渡也可以通过强子的分子型聚集模式来实现，分子型聚集形成的团与口袋是两种截然不同的图像。其次，本项目在计算核物质的热力学量的过程中，发现夸克质量对相互作用测量量有贡献。通过考虑一个没有任何相互作用的系统，发现纯粹的粒子质量的贡献也能得到相互作用测量量的峰，这定性上类似于格点计算的结果。计入QGP自由度以后，夸克质量对相互作用测量量的贡献小于40%。再次，本项目根据当前研究的热点——高阶矩的符号改变作为临界点的判据，提出高阶矩改变符号的行为实际上与状态方程中拐点的出现是紧密相关的。状态方程中拐点的出现与二级相变是相伴随的。状态方程中有拐点是临界点的特征。实验上测量高阶矩有诸多困难，本项目建议，实验上可以测量低阶矩，即重子数密度的平均值（一阶矩），通过观察其拐点特征来确定临界点。总之，本项目建议了实验上确定临界点的观察量，为配合RHIC的低能扫描、在实验室找到QCD的临界点、观察到临界现象做了一些理论工作。