量子色动力学的凝聚态物理

量子色动力学的凝聚态物理王群中国科技大学/近代物理系2007.4量子色动力学•核力(强作用力)是自然界四种基本力之一夸克和胶子构成核子，强作用力的基本粒子•量子色动力学:强作用的基本理论•基本特征:夸克禁闭(没有自由的夸克和胶子)(04’诺贝尔物理奖)克雷研究所：新千年七大数学物理难题之一(＄1,000,000)禁闭问题的解决，将使我们对核力的认识与控制能力有质的飞跃两种哲学•还原vs浮现(ReductionvsEmergence)•还原：•浮现(MoreIsDifferent–P.W.Anderson)波粒二相性：粒子的起源波的起源，多粒子体系自组织产生准粒子或元激发还原主义和浮现主义的QCD•还原主义的QCD：夸克和胶子作为点粒子•浮现主义的QCD：QCD的凝聚态，夸克和胶子作为准粒子或集体激发，其动力学与真空中的不同还原主义和浮现主义的弦论•还原主义的弦论：所有基本粒子都是弦的激发•浮现主义的弦论：各种波动场(光子，狄拉克费米子，引力子)都是弦网凝聚态的激发(X.-G.Wen,…)禁闭的解除-夸克物质新物态◆压缩和加热核物质可以使夸克解除禁闭(李政道,1974;Collins&Perry,1975)◆宇宙中存在夸克物质状态▲致密星体的内部存在夸克物质▲大爆炸的最初几秒钟高密夸克物质高温夸克物质重核碰撞:高温夸克物质核变成非常扁的圆盘Lorentz收缩因子g=100两核相互穿越穿越时间1fm/c剧烈横向膨胀产生高温最后阶段:较大体积内冷凝Au+Au对心碰撞40x1012eV~6micro-Joule人类听力灵敏度~10-11erg=10-18Joule高温：万亿度()，可以把核子溶化1210KRecordedSmallBang(RHIC-STAR)Endviewofacollisionoftwo30-billionelectron-voltgoldbeamsintheSTARdetectorattheRelativisticHeavyIonCollideratBrookhavenNationalLaboratory,Thebeamstravelinoppositedirectionsatnearlythespeedoflightbeforecolliding.(Courtesy:BrookhavenNationalLaboratory)致密星中的低温夸克物质取自F.Weber,astro-ph/007155解禁闭相变路线图低温夸克物质的基态:色超导态•色超导态：夸克之间的两两配对的状态•早期历史：Barrois(77’),Bailin&Love(84’)•研究热潮：MIT组(98’),StonyBrook组(98’)，色味耦合态•色超导态的相结构非常丰富,夸克有两个新自由度：颜色和味道超导态的基本性质水银的超导电性温度(K)I类II类磁涡旋电阻两个基本长度或能标:穿透长度:相干长度:m11无耗散性迈斯纳效应能隙-色超导能标之一无耗散性:小扰动不足以激发准粒子•得到了超导态的重要尺度或能标-迈斯纳效应的穿透长度•使用了一种新方法计算了胶子和光子的混合模式(类似于弱电统一理论中的光子-W/Z混合)•新光子在颜色-自旋耦合相中有质量→有电磁Meissner效应，(与以往的结论是不同的)•自旋为1的色超导体是第一类超导体迈斯纳质量-色超导能标之二S=0配对2-flavorSC(2SC)Bailin,Love(1984)Color-flavor-locking(CFL)Alford,Rajagopal,Wilczek(1984)()(())ccfSUSUSU322()()()ccffSUSUSU332S=1配对PolarphaseSchafer(2000)Color-spin-locking(CSL)Bailin,Love(1984)Schafer(2000)()()()()cJcJSSOUSUU2313()()()ccJJSUSOSO333,FmpPairbreaking?不对称配对rarecaserealcaseincolddensequarkmatter摘自黄梅的报告urugubdgdrdbe830,(2)CSU化学平衡和电中性色中性条件)(32)(88,TQijijeijij2/3/6/8ee摘自黄梅的报告弱耦合近似下的能隙Son(1999);Pisarski,Rischke(2000);Brown,Liu,Ren(2000);Rischke,Wang(2002)/()gbbeb20102/[/()]fbNg42522562()/be2480DependingonphasesCharacteristicofCSC能隙(结果)0CT2SCCFLCSLpolarspin001110.570.57200/SC0/CT1/322/352e1/320.572/320.57()deTwo-gapstructurebreaksBCS-ratioExponentialsuppressionfactorinCSLfromangularintegral0/0.57CT(Zerotemperature)(transitiontemperature)Schmitt,Wang,Rischke,PRD(2003)MixingofgluonandphotoninCSCNewelectricchargeand8thcolorchargeNewphotonandgluonNewcouplingconstant光子与胶子的迈斯纳质量8811QQTT88sincoscossinAAAA2222cosgge22cos,cos,eggeeg与弱电模型比较计算方法Nambu-Gorkovbasis:Calculatepolarizationtensor,,0,1,,8abab2,DMmdiagonalization•Rotatedphotoncanpenetrateinto2SCandCFL:noEMMeissnereffect•RotatedphotoninCSLphaseshasanon-vanishingmass:EMMeissnereffect•Since,inweakcouplings,spin-1color-superconductor(CSLorpolarphase)atype-Isuperconductor迈斯纳质量：结果总结1/()1/gSchmitt,QW,Rischke,PRL(2003)色超导与电超导的比较强耦合与弱耦合色超导强耦合(BEC)情形弱耦合(BCS)情形BEC和BCS配对的差别)2/(~akFFeEfermionicbosonicEb•Tdependence•EFdependence•Tindependent•EFindependent模型计算结果能隙和有效化学势费米子和玻色子数密度x是BEC-BCS转换参数x0,BCS区域X0,BEC区域Deng,Schmitt,Wang,nucl-th/0611097模型计算结果费米与玻色量子液体•Atomicsystems•AtomicBEC(1995):Weaklyinteractingbosegas•Fermionicatomgas•Condensedmattersystem•Superconductor(1911)•4He(1937),3He(1971)•High-Tcsuperconductor(1987)1021cm-31012cm-31nK100KDensityTemp.•Tobridgedifferentregimes…•Weakinteractiontostronginteraction•BosonstoFermionsandviceversa实验装置Efficientloadingintotheopticaltrap:~107thermalatomsTimeEvolutionAbsorptionimages新思想:规范场/弦对应•RHIC结果表明QGP是强耦合理想流体，sQGP。•sQGP的，理想流体行为。•高能粒子在sQGP中传播导致能损•粒子产生受到介质的影响。•小爆炸的膨胀冷却::宇宙大爆炸膨胀•强子产生::星系的产生1.0/s/J用AdS/CFT描述弯曲时空的膨胀,与宇宙学的关系？研究领域的特点•低温夸克物质特性的研究，重离子碰撞物理•正在成长的粒子物理、核物理的新领域，与天体物理和凝聚态物理也有关联谢谢大家！