自旋与手征动力学的输运模拟研究

自旋相关的物理是多个研究领域的热门课题。核子和夸克都是自旋为1/2的费米子,在非对心重离子碰撞中受到自旋-轨道相互作用以及磁场的影响,会产生有趣的自旋动力学,特别是在垂直于反应平面方向上会出现自旋极化。在相对论重离子碰撞中,由于产生了极端的高温高密环境,夸克可以近似看作无质量粒子,此时自旋动力学过渡为手征动力学。在外界电磁场、涡旋场作用下以及在电荷与手征荷不对称的条件下,会产生一系列手征反常效应。本文介绍我们课题组基于输运模拟在自旋与手征动力学方面开展的一系列研究工作,包括中能重离子碰撞及相对论重离子碰撞中粒子的自旋极化、理想体系及相对论重离子碰撞中的手征磁波等。     

强磁场与涡旋场中的夸克胶子物质

相对论重离子碰撞可以产生高温的夸克胶子物质,同时也产生极强的电磁场和流体涡旋。在强电磁场和涡旋场中的夸克胶子物质呈现出新奇的宏观量子现象,比如手征磁效应、手征涡效应、手征分离效应、手征电分离效应、自旋极化现象等。它们一方面给我们提供了可以探测高温下量子色动力学的非平庸规范场拓扑结构、强相互作用的宇称破坏、夸克胶子物质中的自旋动力学等的实验手段,另一方面也与物理学其他分支,比如粒子物理、凝聚态物理、天体物理、冷原子物理等发生紧密联系,形成新的交叉研究领域。本文旨在对这些宏观量子现象的产生机制以及它们在相对论重离子碰撞中的探测等做一回顾和展望。特别地,我们揭示出重离子碰撞的磁场强度可以达到$10^{18}\sim 10^{20}$ G,流体涡旋可以达到$10^{22}$ s–1;这是我们已知当前宇宙中最强的磁场和流体涡旋。我们定量地对同量素碰撞实验做了分析,发现即便背景比例达到93%以上,当前的同量素碰撞实验仍然可在大约$3\sigma$的显著性水平上判断是否有手征磁效应的发生。我们系统地给出了满足因果律的自旋流体力学方程,并推导了其中的集体激发模式,这将有助于理解超子自旋极化中出现的符号问题。     

相对论重离子碰撞中手征磁效应寻找的现状(英文)

量子色动力学中夸克和拓扑胶子场的相互作用可以产生局域宇称和共轭电荷宇称不守恒,这也许能解释宇宙中物质-反物质的不对称性。在强磁场下,宇称不守恒会导致粒子按正负电荷分离,此现象称为手征磁效应。在重离子碰撞实验中对电荷分离的测量主要受物理本底的影响,大部分的理论和实验工作一直致力于消除或减少这些本底。在此综述了相对论重离子碰撞中手征磁效应寻找的现状。Quark interactions with topological gluon fields in QCD can yield local P and CP violations which could explain the matter-antimatter asymmetry in our universe. Effects of P and CP violations can result in charge separation under a strong magnetic field, a phenomenon called the chiral magnetic effect (CME). Experimental measurements of the CME-induced charge separation in heavy-ion collisions are dominated by physics backgrounds. Major theoretical and experimental efforts have been devoted to eliminating or reducing those backgrounds. We review the current status of these efforts in the search for the CME in heavy-ion collisions.     

相对论重离子碰撞与夸克物质

介绍了相对论重离子碰撞与夸克物质研究领域的有关最新进展.讨论了QCD热力学与量子输运理论,对于与QCD相变紧密联系的几个热点问题作了评述,最后分析了该研究领域在近期发展前景.     

相对论重离子碰撞的输运模型研究

美国的布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）和欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）的大量实验结果表明,在相对论重离子碰撞中已经产生了一种近似完美流体的强耦合部分子物质。基于一个多相粒子输运模型（AMPT）理论工具,对RHIC和LHC实验上的一些重要结果的开展了三个方面的理论研究工作（集体流、喷注淬火、手征磁效应）,研究结果揭示了初始的夸克胶子等离子体（QGP）能量密度涨落经过部分子输运演化产生末态粒子的各阶次的集体流、喷注和部分子物质的相互作用导致喷注的能量损失、末态相互作用严重影响手征磁效应的大小等物理过程作用机制。The experimental results from the BNL Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the CERN Large Hadron Collider (LHC) show that a nearly perfect fluid (i.e. strong-coupling Quark Gluon Plasma) has been created in relativistic heavy-ion collisions. I introduce our theoretical results based on a multi-phase transport (AMPT) model. Several important topics such as collective flow, jet quenching, chiral magnetic effect, are addressed. The simulation results indicate that the initial fluctuations of energy density of the QGP lead to all orders of harmonic flows of final particles via parton cascade, the strong interactions between jet and the QGP make jet lose much energy, and the final state interactions play an important role to affect the initial chiral magnetic effect in relativistic heavy-ion collisions.     

核物理中的手征微扰论

手征微扰论是基于量子色动力学的低能有效理论 ,已成为核物理和低能粒子物理研究的有力方法 .简单介绍了手征微扰论的基本概念、方法和应用 ,特别是近年来重子手征微扰论的形式发展和一些应用中的前沿问题. Chiral Perturbation Theory (CHPT), as a low-energy effective field theory based on QCD, is a powerful tool in the investigation of the nuclear and particle physics. We present an introduction to the basic idea, the method and the application of CHPT, and emphasize the recent development in the formalism and the application of baryon CHPT.     

利用格点量子色动力学研究手征平滑过渡温度和手征相变温度

回顾了最近关于手征平滑过渡温度和手征相变温度的研究结果。首先给出了在零重子化学势能下的手征平滑过渡温度为156.5(1.5) MeV,其次,给出了在非零重子化学势能下手征相转变曲线的二阶及四阶曲率分别为0.012(4)和0.000(4)。接着讨论了在格点QCD中第一次得到的量子色动力学的手征相变温度。在热力学极限、连续极限及手征极限下,我们得到手征相变温度为132$^{+3}_{-6}$ MeV。     

相对论重离子碰撞手征电荷分离效应的研究

相对论重离子碰撞的拓扑荷作用破坏作用平面两侧不同手征性的夸克数目的平衡,从而引起P和CP破坏特征。本工作主要分析RHIC和LHC能区的手征电荷分离作用,分析手征电荷分离随碰撞中心度、碰撞能量和核屏蔽等依赖关系。并未发现手征电荷分离效应与碰撞能量大小有非常紧密的依赖关系,但发现核屏蔽效应对手征电荷分离有重要的影响,与不考虑屏蔽效应相比,考虑屏蔽效应会使手征分离效应明显压低,由于屏蔽效应出现,使得a₊₊（a_--）的分布与a_+-（a_-+）分布并不对称。并且还发现手征分离效应主要发生在碰撞参量较大的周边碰撞,越接近中心碰撞,手征分离效应几乎可以忽略。The topological charge interactions in relativistic heavy ion collisions cause quark chirality imbalance, resulting in charge separation under the strong magnetic field and local P and CP violation. In this paper, the chiral charge separation at RHIC and LHC energies is systematically analyzed as functions of the collision centrality, the collision energy and the nuclear shielding factor. It is found that there is not a very close dependence of the chiral charge separation effect on the collision energies, but that has an important dependence on nuclear shielding factor. Compared with the non-shielding effect, the shielding effect can reduce the chiral separation effect obviously. Due to the shielding effect, the distribution of a₊₊(a_--) and the distribution of a_+-(a_-+) are asymmetric. One also finds that chiral separation effect, which is almost negligible when more close to the central collision, occurs mainly in the peripheral collision for larger impact parameter.     

一个新的双重子态(ΩΩ)Jπ=0+的研究

用手征SU(3)夸克模型对双重子态(ΩΩ)0⁺的结构进行了研究,这个双重子态的结合能约100MeV,2个Ω间均方根距离0.84fm,初步估计其平均寿命约是自由Ω寿命的两倍.由于这些有兴趣的性质以及带有两个负电荷的特性,它有利于在重离子碰撞实验过程中去识别.     

核物质中的π, K, ρ和η物理

介绍了入射能量约1 A GeV时的重离子碰撞产生的介子物理, 分析了SIS和Bevalac两个重离子加速器的实验数据中显示的介质效应, 特别是手征对称性在有限密度时的部分恢复信号, 指出了目前理论研究中存在的问题, 最后讨论了兰州重离子加速器CSR可以进行的介子物理研究.     

量子模拟外尔半金属

Weyl 半金属的拓扑性质会导致很多新奇的物理现象，比如表面的费米弧(Fermi arc)。本文则讨论 Weyl 半金属的手征磁效应(Chiral magnetic effect, CME)。这一效应的出现，与某种原因导致一对手性相反的 Weyl 点出现能量差有关。此时，左手性和右手性不平衡，引入外加磁场将导致Weyl 点附近产生正比于磁场强度并沿着磁场方向的拓扑电流，该现象通常被称为凝聚态物理中的手征磁效。强调凝聚态物理，是因为这个概念一般多见于核物理中夸克–轻子等离子体的形成过程，其中相对论性重离子碰撞过程起主导作用。值得注意的是，手征磁效应是左手和右手Weyl 点在能动量上分开导致的，与近年来广泛研究的手征反常(chiral anomaly) 具有本质的区别。比如，Dirac 半金属具有手征反常，但不产生手征磁效应。手征反常是指在平行的电场E 和磁场B 的作用下，Weyl 或Dirac 半金属中产生的左手（右手） Weyl 费米子会持续转化为右手（左手）Weyl 费米子。尽管这两种机制在Weyl 半金属中都存在，但却表现出不同的输运现象。其中一个明显的区别表现为：实现手征反常需要电场 E 和磁场 B 的共同作用，而手征磁效应引起的拓扑电流通常只需要磁场 B 的作用就可以了。     

推导赝标Goldstone玻色子有效拉氏量

从QCD出发,未作近似推导出了赝标量Goldstone玻色子的有效手征拉氏量(ECL)理论.并以QCD中格林函数的形式给出了直到p⁴阶的ECL的系数的定义.     

万亿摄氏度下烹煮夸克汤：核物质相结构和量子色动力学相变临界点的实验研究

高温高密核物质相结构是核物理研究领域的热点和前沿。量子色动力学(QCD)相变临界点的实验确认将是探索核物质相结构的里程碑,具有重要科学意义。为了在这一具有潜在重大发现的研究方向上占据领先地位、取得突破,各国纷纷建造大型加速器以及粒子探测器,开展重离子碰撞实验,其主要目标就是从实验上探索高温高密核物质相结构、寻找QCD相变临界点。文章总结了近年来相对论重离子碰撞中核物质相结构及QCD临界点的实验研究进展,并对未来探索高重子密度区核物质相结构、寻找QCD临界点的重要实验装置做了展望。     

有限温下三维QED中费米速度对费米子手征凝聚的影响（英文）

三维QED 具有两个和QCD类似的性质:动力学手征对称破缺和禁闭。为了研究动力学手征对称破缺,基于彩虹近似,在Dyson-Schwinger 方程框架下,通过迭代求解有限温下的费米子自能方程,讨论了不同的费米速度下费米子手征凝聚与费米子味数之间的关系。发现在有限温下,对于固定的费米子味数,费米手征凝聚随费米速度的变大而单调减小。Analogous to Quantum QCD, QED₃ has two interesting features: dynamical chiral symmetry breaking (DCSB) and confinement. By adopting the rainbow approximation, we numerically solve the fermion self-energy equation at finite temperature in the framework of Dyson-Schwinger equations and discuss the relation between chiral condensate and fermion flavor for several fermion velocities in the finite temperature QED₃. It is found that the fermion chiral condensate decreases monotonically with the fermion velocity increasing for a fixed N at finite temperature.     

手征参数对光纤中模式特性的影响

对圆芯和包层都是手征介质的阶跃型手征光纤进行了解析求解，导出了模式特征方程，给出了手征光纤中模式场，光强和光功率分布的表达式。分别研究了纤芯和包层中的手征参数对模式特性的影响．。     

核物质中的π,K,ρ和η物理

介绍了入射能量约1AGeV时的重离子碰撞产生的介子物理,分析了SIS和Bevalac两个重离子加速器的实验数据中显示的介质效应,特别是手征对称性在有限密度时的部分恢复信号,指出了目前理论研究中存在的问题 ,最后讨论了兰州重离子加速器CSR可以进行的介子物理研究.The meson physics in heavy ion collisions around energy 1 A GeV is investigated. The experimental data at SIS and Bevalac on medium effects, especially on the signatures of chiral symmetry restoration at finite density are analyzed, and the related problems in the study are pointed out. Finally the possible meson physics at cool storage ring (CSR) is discussed.     

SU(N)大统一前子模型中的手征性分析

本文我们将手征性要求和互补原理(Complementarity)应用于大统一前子模型中,寻找可能的模型,我们对大统一前子模型的基本要求是1)满足手征性要求;2)满足互补原理;3)至少描述三代夸克和轻子.我们主要讨论了手征性要求,得出满足这些条件的最小模型是SU(10)大统一前子模型,并对其作了详细讨论.     

零折射率手征包层光纤中导模的奇异特性

对零折射率手征介质(介电常量和磁导率同时等于零的手征介质)作为包层的光纤中模式的奇异特性进行了理论研究.给出了导模的电磁场分布公式,推导出导模色散方程和功率的数学表达式,通过数值计算,给出了不同手征参量情形下的色散曲线,讨论了手征参量对归一化功率的影响,发现了导模的一些奇异特性,如存在表面波模、基模单模区,出现传播常量...     

QCD类规范的南部模型中费米子与动力学产生的介子的密度效应

将两味(N_f=2)情况下的QCD类规范的南部模型应用到核物质中并得到了费米子的能隙方程.与四费米子相互作用部分相比,胶子部分对费米子质量约有1/4的贡献.手征序参量与QCD求和规则所预言的结果符合得很好.基于能隙方程,得到了标量与赝标量介子的一系列动力学性质,理论结果很好地符合了实验.     

天体物理、引力波及重离子碰撞中的物质

通过相对论性磁流体力学的计算知道,由双中子星合并产生的引力波对中子星内部是否存在夸克物质以及QCD物质状态方程的硬度度非常敏感。这些天文学上创造的热力学极限在20%以内跟某些快度、碰撞参数等条件下的相对论重离子碰撞产生的温度和密度相当。本文结合相对论模拟双中子星系统及实验室中重离子碰撞的结果,从而确定高密物质的状态方程和相结构。讨论了中子星合并后残留物的引力波发射,这将有助于了解夸克强子过渡的性质。