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1、蹴兰一 博士学位论文 磁场中的一味夸克色超导和质量效应研究 论文作者：武苹苹 指导教师：侯德富任海沧教授 申请学位：理学博士 学科专业：粒子物理与原子核物理 研究方向：夸克物质理论 华中师范大学物理科学与技术学院 二零一二年五月 一奄一一，牛丑月 怒二删 AD i s s e r t a t i o nf o rD o c t o rD e g r e eo fS c i e n c e i nP a r t i c l ea n dN u c l e a rP h y s i c s S i n g l eF l a v o rC o l o rSu p e r c o n d u c t
2、i v i t yi na M a g n e t i cF i e l dA n dM a s sE f f e c t 。 b y ：P i n g - p i n gW u S u p e r v i s o r ：P r o f D e - f uH o u H a i c a n gR e n S pe c i a l t y ：P a r t i c l ea n dN u c l e a rP h y s i c s R e s e a r c hA r e a ：Q u a r kM a t t e rT h e o r y H u a Z h o n gN o r m a l
3、U n i v e r s i t y I n s t i t u t eo fP a r t i c l e P h y s i c s M a y2 0 1 2 I I II I II II1 111 111III Y 2 0 8 0 2 5 7 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：炎军卑 日期
4、：l 婢j 月塍日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和 借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盛暑车 日期：M 1 年孓月支日 导师签名：1 脏I r i 物 日期：l
5、 嘏r 月伊 本人已经认真阅读“C A t , I S 高校学位论文全文数据库发布章程，同意将本人 的学位论文提交“C A L I S 高校学位论文全文数据库“ 中全文发布，并可按“章程一 中的规定享受相关权益。园意i 金交握交盾溢盾；旦坐生；旦二生；旦三生发查。 作者签名：炎苹荜 日期：) l z - 年- 皇月J 岁日 导师签名： E l 期：砌y 厶 一切 旷 I 博士学位论文 D O C T O R A L D 醛S 目n 1 0 N 摘要 量子色动力学( Q C D ) 是描述强相互作用的基本理论。Q C D 相图上具有非常丰 富的相结构，比如强子物质相，夸克胶子等离子体和超导等等。
6、在渐近自由密度 下，Q C D 的单胶子交换相互作用可以被分为反对称的三重态与对称的六重态，其中色 反三重道提供吸引相互作用。在中等密度下，交换瞬子的相互作用也被认为是吸引相互 作用。根据库珀理论，在低温高密下的夸克物质将会产生束缚态而形成色超导态。本文 主要研究一味夸克色超导在磁场中的性质及引入一个任意夸克质量后对一味夸克色超导 基态的影响。 色超导是夸克凝聚形成，这与普通超导理论中的库珀对类似，只是因为夸克不仅具 有电荷，而且具有非阿贝尔的色和味自由度，色超导的相结构比普通超导要丰富的多。 因此在第二章，作为了解色超导理论的基础，我们首先介绍了电磁超导的B C S 理论。 色超导态的结构非
7、常依赖与参与配对的夸克味数和它们的质量。在重子数密度极高区 域，U ，d ，s 夸克的质量都能被忽略时，基态是色一味锁定态。在这个态中，不同味之间的 夸克参与配对。在中等密度下，由于奇异夸克质量，p 平衡，荷中性条件等影响情况变 得非常复杂。这些条件使不同味夸克配对产生了一个较大的费米动量不相等，因此减 小了可能的相空间。文献中提出的不同味配对的机制( 例如，无能隙色超导，L O F F 态 等) 要么产生了各种不稳定性，要么明显的减小了凝聚能。这使不受这些费米动量不相 等和不稳定性影响的一味夸克色超导变成了一个有力的候选者，即便它的配对力要略小 一些。一味夸克色超导有一系列不同的配对态。文献
8、中经常讨论的包括：球形的色自 旋锁定态( C S L ) ，非球形的p o l a r ，A ，p l a n a r 。在自然界中，中子星的内部极有可能 产生色超导，因此在这一章的后面讨论了色超导在中子星中的应用，包括质量半径关系 和中子星冷却。考虑到后面章节计算，我们简单介绍一下N J L 模型。 第三章我们研究了磁场中的一味夸克色超导。中子星内部磁场的存在可能颠覆四种 一味夸克色超导态之间能量的平衡。球形的C S L 态具有电磁迈斯纳效应，但是对于非球 形态p o l a r ，A ，p l a n a r ，它们没有电磁迈斯纳效应。如果夸克物质温度低于一味夸克色 超导临界温度，形成C
9、S L 将比形成非球形态要耗费更多能量把磁场排出超导体内部。考 虑到磁场对自由能的贡献，非球形态可能能量更低。我们研究了一味夸克色超导非球形 态中电磁迈斯纳效应不存在带来的影响并得到了关于磁场强度和温度的相图。我们发现 在中子星可能存在的磁场强度下，一味夸克色超导的基态可能不再是C S L ，非球形态在 相图中也占据了显著的位置。然后我们计算了在磁场中一味夸克色超导不同共存相之间 发生一阶相变所释放的潜热，这个过程释放的能量量级可能为一些天文现象( 比如中子 星晚期的X 射线暴) 提供依据。 博士学位论文 D O C r O l 砒D I S S I 嚣F A T I O N 第四章中我们主要
10、研究了质量效应对一味夸克色超导的影响。我们首先在第二节中 给出了具有非零夸克质量的N J L 型有效作用并引入了平均场近似。与极相对论下手征性 相反的配对( 横向配对) 占主要地位所不同的是，非零的奇异夸克质量使手征性相同的 配对和手征性相反的配对耦合，增加了计算激发谱中能隙矩阵的难度。但在第三节中， 我们可以发现对四种一味夸克色超导态中任意质量的能隙矩阵可以被解析的对角化，并 且我们的结果同文献中极相对论和非相对论的结果都符合的很好。引入非零的夸克质 能的次序仍与零质量极限下的结果相同。在第四节中，我们得到了在三种味 物质在磁场存在下的新的H T 相图。由于具有非零质量的奇异夸克配对的转变
11、，关于温度和磁场强度的相图包含了一个只有U ，d 夸克配对的区域。这个区域 5 0 M e V 时非常狭窄，但在m 。一p 时不能被忽略。 章是对本论文主要工作的总结，并对未来可能涉及到的工作进行了展望。我们 式的推导细节和证明放在了附录中以方便查阅。 夸克物质，色超导，量子色动力学( Q C D ) ，B C S 理论，N J L 模型，对称性自 中子星，D w i g n e r 函数，一味夸克色超导，磁场，质量效应 博士学位论文 D O C T o R A L D I S S E R T A T I O N Ab s t r a c t Q u a n t u mC h r o m o
12、d y n a m i c s ( Q C D ) i sab a s i cd y n a m i c a lt h e o r yt od e s c r i b et h es t r o n g i n t e r a c t i o n T h e r ea r er i c hp h a s es t r u c t u r e si nQ C D p h a s ed i a g r a m ，s u c ha sh a d r o n i cm a t - t e r ，q u a r kg l u o np l a s m a ( Q G P ) a n ds u p e r
13、 c o n d u c t o re t c A ta s y m p t o t i c a l l yh i g hd e n s i t y , o n e - g l u o ne x c h a n g eC a nb ed e c o m p o s e di n t o8 2 1c o l o ra n t i s y m m e t i ca n t i t r i p l e tc h a n n e la n d as y m m e t r i cc o l o rs e x t e tc h a n n e l ，t h ef o r m e ro n ep r o
14、v i d e st h ea t t r a c t i v ei n t e r a c t i o n A t m o d e r a t ed e n s i t y , t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nq u a r k si n d u c e db yi n s t a n t o ni sa l s oa t t r a c t i v e C o r r e s p o n d i n gt ot h eC o o p e rt h e o r y , q u a r km a t t e ra ts u f f i c i e
15、n t l yh i g hb a r y o nd e n s i t ya n d l o wt e m p e r a t u r eb e c o m e sac o l o rs u p e r c o n d u c t o r ( C S C ) I nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ei n v e s t i - g a t e dt h es i n g l ef l a v o rc o l o rs u p e r c o n d u c t i v i 蚵i nam a g n e t i ca n di t sc o r r e
16、c t i o nt ot h e c o n d e n s a t i o ne n e r g yw h e na na r b i t r a r yq u a r km a s si si n t r o d u c e d C S Ci sc h a r a c t e r i z e db yad i q u a r kc o n d e n s a t e ，w h i c hi sa n a l o g o u st ot h eC o o p e rp a i r i na no r d i n a r ys u p e r c o n d u c t o r ，b u tt h es t r u c t u r eo ft h ec o n d e n s a t ei sm u c hr i c h e rb e c a u s e q u a r k sh a v et h en o n a b e l i a nc o l o ra n df l a v o
