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

克雷研究所：新千年七大数学物理难题之一(＄1,000,000) 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 (Reduction vs Emergence) 还原： 浮现 (More Is Different – 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

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) 高密夸克物质 ◆ 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 高温夸克物质

重核碰撞:高温夸克物质 剧烈横向膨胀 产生高温 Au+Au 对心碰撞  40x1012 eV ~ 6 micro-Joule 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< 1 fm/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  40x1012 eV ~ 6 micro-Joule 人类听力灵敏度 ~ 10-11 erg = 10-18 Joule 高温：万亿度( )，可以把核子溶化

Recorded Small Bang (RHIC-STAR) End view of a collision of two 30-billion electron-volt gold beams in the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory, The beams travel in opposite directions at nearly the speed of light before colliding. (Courtesy: Brookhaven National Laboratory)

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’), Stony Brook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 无耗散性 迈斯纳效应 水银的超导电性 I 类 电阻 II 类 两个基本长度或能标: 穿透长度: 相干长度: 磁涡旋 温度(K) II 类 两个基本长度或能标: 穿透长度: 相干长度: 无耗散性 磁涡旋 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

迈斯纳质量-色超导能标之二 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

S=0 配对 2-flavor SC (2SC) Bailin, Love (1984) Color-flavor-locking (CFL) Alford, Rajagopal, Wilczek (1984)

S=1 配对 Polar phase Color-spin-locking Schafer (2000) (CSL) Bailin, Love (1984) Schafer (2000)

不对称配对 摘自黄梅的报告 real case rare case in cold dense quark matter Pair breaking? real case rare case in cold dense quark matter

化学平衡和电中性色中性条件 ur ug ub dg dr db 摘自黄梅的报告

弱耦合近似下的能隙 Depending on phases Characteristic of CSC Son (1999); Pisarski, Rischke (2000); Brown, Liu, Ren (2000); Rischke, Wang (2002)

Schmitt, Wang, Rischke, PRD(2003) 能隙(结果) (Zero temperature) (transition temperature) 2SC CFL CSL polar spin 1 0.57 Two-gap structure breaks BCS-ratio Exponential suppression factor in CSL from angular integral Schmitt, Wang, Rischke, PRD(2003)

光子与胶子的迈斯纳质量 Mixing of gluon and photon in CSC New electric charge and 8th color charge New photon and gluon New coupling constant

与弱电模型比较

计算方法 Nambu-Gorkov basis: Calculate polarization tensor diagonalization

迈斯纳质量：结果总结 Rotated photon can penetrate into 2SC and CFL: no EM Meissner effect Rotated photon in CSL phases has a non-vanishing mass: EM Meissner effect Since , in weak couplings, spin-1 color-superconductor (CSL or polar phase) a type-I superconductor 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 bosonic Eb fermionic T dependence EF dependence T independent EF independent

Deng, Schmitt, Wang, nucl-th/0611097 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 x<0, BCS区域 X>0, BEC区域 Deng, Schmitt, Wang, nucl-th/0611097

模型计算结果

费米与玻色量子液体 100K Temp. 1nK 1012cm-3 Density 1021cm-3 Condensed matter system Superconductor (1911) 4He (1937), 3He (1971) High-Tc superconductor (1987) 100K Temp. To bridge different regimes… Weak interaction to strong interaction Bosons to Fermions and vice versa Atomic systems Atomic BEC (1995): Weakly interacting bose gas Fermionic atom gas 1nK 1012cm-3 Density 1021cm-3

实验装置 Efficient loading into the optical trap: ~ 107 thermal atoms Def. von waist: Hier Feld (bzw. 1/e^2) Waist: Kruemmung unendl: Rayleigh: Uebergang zum Fernfeld Absorption images Time Evolution

新思想:规范场/弦对应 用AdS/CFT描述 弯曲时空的膨胀, 与宇宙学的关系？ RHIC结果表明QGP是强耦合理想流体，sQGP。 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 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！