论文摘要
上世纪七十年代,李政道等人预言:通过高能重离子碰撞,有可能在空间中形成高温高密环境,使得强子物质的状态发生改变,生成由大量解除禁闭的夸克、反夸克和胶子组成的一种全新的物质形态,称为夸克胶子等离子体（Quark Gluon Plasma——QGP）,夸克解除禁闭的过程伴随着真空的转变。这一预言,推动了相对论重离子碰撞的理论和实验研究,形成跨世纪物理学的一个主流。在目前的相对论重离子碰撞实验中,特别是在布鲁克海汶实验室的相对论重离子对撞机BNL/RHIC上,已经看到了在比强子体积大千倍的范围内出现的夸克胶子自由度。综合实验上的各个观测量的结果,理论界和实验界普遍认为,RHIC实验已经生成了一种强耦合的夸克胶子等离子体（strongly coupled Quark Gluon Plasma,缩写为sQGP）。强耦合QGP的发现是物理学发展中的一个有重大意义的进展。但是到现在为止,这一进展才刚开始,还远没有完成,特别是对于这一新物质形态的微观结构还完全不了解,有待理论上和实验上的进一步研究。有限温度格点规范理论给出的QCD相图是:在低温高重子化学势区,QGP和强子物质之间是一级相变;随着温度的升高和重子化学势的降低,一级相变曲线在临界点终止;在更高温度和更低化学势条件下,QGP和强子物质之间平滑过渡（crossover）。理论估计,在RHIC（以及将来的LHC）能区,净重子化学势低,从强子物质到QGP的转变是平滑过渡。本文首次指出:目前描述平滑过渡的模型违背了QCD的色禁闭这一原则性问题。通过分析发现,这类模型中存在的这一问题不是偶然的,而有着深刻的原因,和QCD真空的性质有直接联系。针对这一问题,本文提出了一条基本假设:强子的聚集有“气体型”和“分子型”两种。“气体型”的强子聚集表现为,多个强子聚集在一起以后形成一个大口袋,口袋里面是部分子,口袋与外界有分界面。这是一级相变的特征。目前的输运模型所采用的真空图象是气体型,它在描述平滑过渡时是违背色禁闭的,且气体型的真空图象得到的夸克物质是弱耦合的,不符合RHIC实验观察到的和格点QCD计算得到的强耦合QGP的图象。而在“分子型”聚集中,多个强子通过成键形成团,成键后的强子称为元胞,成键的两个元胞没有融合成一个大口袋,而是保留各自的独立性,像分子中的原子,故称之为分子型聚集。通过强子的分子型聚集形成葡萄状的夸克胶子等离子体（grape-shape QGP,缩写为gQGP）是从强子物质向夸克物质平滑过渡而不违背色禁闭的正确方式,所得到的QGP也才是强耦合的流体。葡萄状的夸克胶子等离子体gQGP是强耦合夸克胶子等离子体sQGP的一种存在形式,其意思是夸克物质存在的空间是葡萄状的。电磁作用能形成氢分子、水分子直到有机大分子是众所周知的,而强作用也能形成分子型结构是一个观念上的重大创新。我们首创地提出,通过分子型聚集形成葡萄状夸克物质gQGP。按照此图象,利用平滑过渡过程中夸克在强子之间公有化（delocalize）的动力学机制,构建了一个具有动力学基础的渗滤模型。强子间成键的本质是夸克对强子间势垒的隧穿。以此为基础,把一个与温度有关的变量作为成键的控制参量,定义了渗滤规则,建立了新的渗滤模型,成功地描述了和色禁闭相容的平滑过渡的整个过程,得到了平滑过渡开始、过渡结束和sQGP转化为wQGP三者的温度比。本文还采用径向分布函数g（r）研究了平滑过渡过程中和gQGP形成时的物质形态,结果表明,系统向gQGP演化的过程中,表现出越来越明显的液态行为。而与这一液态行为对应的是夸克群之间由键联结的葡萄状微观结构。当温度进一步升高时,键断开,系统中的夸克以夸克群的形式存在于微扰真空中,类似于一些文献中假定sQGP中有带色的夸克束缚态的图象。本文的主要结论是:强子可以有分子型聚集,由此形成葡萄状夸克物质,是从强子物质到夸克物质平滑过渡的、和色禁闭相容的正确方式。为了具体展示这一结论,我们构建了一个简单模型（toy model）。这一模型显示上述结论是可以实现的。所得到的物理结果,在定性上并不依赖于所用的动力学和渗滤,而完全是“分子型聚集”这一基本假设的直接结果。夸克对势垒的隧穿可以用瞬子来描述。本文所构建的模型表明,夸克公有化或者称之为夸克隧穿,即瞬子,在QCD两相平滑过渡的过程中起了十分重要的作用。本文研究了瞬子末态的重建及其热平衡性质,给出了一种在蒙特卡罗研究中可以使用的最佳重建方法,由这一方法重建得到的瞬子末态表现出各向同性。本文首次提出的分子型聚集这一图象,是描述QCD的平滑过渡的正确方式。为了将这一定性的图象变为定量的描述,需要用到温度场论的工具。如何用温度场论描述元胞之间的隧穿,是一个必需首先解决的问题。进一步,把分子型聚集和气体型聚集相结合,给出一个统一的,既能描述平滑过渡,又能描述一级相变,并能把临界点的性质描绘出来的动力学模型,是值得进一步研究的课题。
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