量子色力学凝聚态物理

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1、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王 群群中国科技大学中国科技大学/ /近代物理系近代物理系2007.4量子色动力学量子色动力学 核力核力(强作用力强作用力)是自然界四种基本力之一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夸克和胶子构成核子，强作用力的基本粒子 量子色动力学量子色动力学: 强作用的基本理论强作用的基本理论 基本特征基本特征: 夸克禁闭夸克禁闭 (没有自由的夸克和胶没有自由的夸克和胶子子)(04诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖)克雷研究所：新千年七大数学物理难题之一克雷研究所：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

2、力的认识与控制能禁闭问题的解决，将使我们对核力的认识与控制能力有质的飞跃力有质的飞跃两种哲学两种哲学还原还原 vsvs 浮现浮现 (Reduction vs Emergence)还原：还原：浮现浮现 (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还原主义和浮现主义的QCD还原主义的还原主义的QCD：夸克和胶子作为点粒子夸克和胶子作为点粒子浮现主义的浮现主义的QCD：QCD的凝聚态，夸克和的凝聚态，夸克和胶子作为准粒子或集体激发，其动力学与胶子作为准粒子或集体激发，其动力学与真空中的不同真空

3、中的不同还原主义和浮现主义的还原主义和浮现主义的弦论弦论还原主义的弦论：还原主义的弦论：所有基本粒子都是弦的所有基本粒子都是弦的激发激发浮现主义的弦论：浮现主义的弦论：各种波动场各种波动场(光子，狄拉光子，狄拉克费米子，引力子克费米子，引力子)都是弦网凝聚态的激发都是弦网凝聚态的激发 (X.-G. Wen, )禁闭的解除禁闭的解除-夸克物质新物态夸克物质新物态 压缩压缩和和加热加热核物核物质可以使夸克解质可以使夸克解除禁闭除禁闭 (李政道李政道,1974; Collins & Perry, 1975) 宇宙中存在夸克物宇宙中存在夸克物质状态质状态 致密星体的内部存在致密星体的内部存在夸克物质夸

4、克物质 大爆炸的最初几秒钟大爆炸的最初几秒钟高密夸克物质高密夸克物质高温夸克物质高温夸克物质重核碰撞重核碰撞: :高温夸克物质高温夸克物质核变成非常扁的圆盘核变成非常扁的圆盘Lorentz收缩因子收缩因子g g=100两核相互穿越两核相互穿越穿越时间穿越时间 1 fm/c剧烈横向膨胀剧烈横向膨胀产生高温产生高温最后阶段最后阶段:较大体积内冷凝较大体积内冷凝Au+Au 对心碰撞对心碰撞 40x1012 eV 6 micro-Joule人类听力灵敏度人类听力灵敏度 10-11 erg = 10-18 Joule高温：万亿度高温：万亿度( )，可以把核子溶化，可以把核子溶化Recorded Smal

5、l 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 La

6、boratory) 致密星中的低温夸克物质致密星中的低温夸克物质取自取自 F. Weber, astro-ph/007155解禁闭相变路线图解禁闭相变路线图低温夸克物质的基态低温夸克物质的基态: :色超导态色超导态色超导态：夸克之间的两两配色超导态：夸克之间的两两配对的状态对的状态早期历史：早期历史：Barrois(77), Bailin & Love(84)研究热潮：研究热潮：MIT组组(98), Stony Brook组组(98)，色味耦，色味耦合态合态色超导态的相结构非常丰富色超导态的相结构非常丰富, 夸克有两个新自由夸克有两个新自由度：颜色和味道度：颜色和味道超导态的基本性质超导态的基

7、本性质水银的超导电性水银的超导电性温度温度(K)I 类类II 类类磁涡旋磁涡旋电电阻阻两个基本长度或能标两个基本长度或能标:穿透长度穿透长度: 相干长度相干长度: 无耗散性无耗散性迈斯纳效应迈斯纳效应能隙能隙- -色超导能标之一色超导能标之一无耗散性无耗散性: 小扰动不足以激发准粒子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得到了超导态的重要尺度或能标-迈斯纳效应的穿透长度迈斯纳效应的穿透长度使用了一种新方法计算了胶子和使用了一种新方法计算了胶子和光子的混合模式光子的混合模式( 类似于弱电统类似于弱电统一理论中的光子一理论中的光子-W/Z混合混合)新光子在颜色新光子在颜色-自旋耦合相中

8、有自旋耦合相中有质量质量有电磁有电磁Meissner效应，效应，(与以往的结论是不同的与以往的结论是不同的)自旋为自旋为1的色超导体是第一类超的色超导体是第一类超导体导体迈斯纳质量迈斯纳质量-色超导能标之二色超导能标之二S=0 配对配对2-flavor SC (2SC)Bailin, Love (1984)Color-flavor-locking (CFL)Alford, Rajagopal,Wilczek (1984)S=1 配对配对Polar phaseSchafer (2000)Color-spin-locking (CSL)Bailin, Love (1984)Schafer (200

9、0)Pair breaking?不对称配对不对称配对rare casereal casein cold dense quark matter摘自黄梅的报告 urugubdgdrdb化学平衡和电中性色中性条件化学平衡和电中性色中性条件摘自黄梅的报告弱耦合近似下的能隙弱耦合近似下的能隙Son (1999); Pisarski, Rischke (2000); Brown, Liu, Ren (2000); Rischke, Wang (2002)Depending on phasesCharacteristic of CSC能隙能隙( (结果结果) )2SCCFLCSLpolarspin00111

10、0.570.57Two-gap structure breaks BCS-ratioExponential suppression factor in CSL from angular integral(Zero temperature) (transition temperature) Schmitt, Wang, Rischke, PRD(2003)Mixing of gluon and photon in CSCNew electric charge and 8th color chargeNew photon and gluonNew coupling constant光子与胶子的迈斯

11、纳质量光子与胶子的迈斯纳质量与弱电模型比较与弱电模型比较计算方法计算方法Nambu-Gorkov basis: Calculate polarization tensordiagonalizationRotated photon can penetrate into 2SC and CFL: no EM Meissner effectRotated photon in CSL phases has a non-vanishing mass: EM Meissner effectSince , in weak couplings, spin-1 color-superconductor (CSL

12、 or polar phase) a type-I superconductor 迈斯纳质量：结果总结迈斯纳质量：结果总结Schmitt, QW, Rischke, PRL(2003)色超导与电超导的比较色超导与电超导的比较强耦合与弱耦合色超导强耦合与弱耦合色超导强耦合强耦合(BEC)情形情形弱耦合弱耦合(BCS)情形情形BEC和和BCS配对的差别配对的差别fermionicbosonic Eb T dependence EF dependence T independent EF independent模型计算结果能隙和有效化学势能隙和有效化学势费米子和玻色子数密度费米子和玻色子数密度x是是

13、BEC-BCS转换参数转换参数x0, BEC区域区域Deng, Schmitt, Wang, nucl-th/0611097 模型计算结果费米与玻色量子液体费米与玻色量子液体Atomic systemsAtomic BEC (1995): Weakly interacting bose gasFermionic atom gasCondensed matter systemSuperconductor (1911)4He (1937), 3He (1971)High-Tc superconductor (1987)1021cm-31012cm-31nK100KDensityTemp.To br

14、idge different regimesWeak interaction to strong interactionBosons to Fermions and vice versa实验装置实验装置Efficient loading into the optical trap: 107 thermal atomsTime EvolutionAbsorption images新思想新思想:规范场规范场/弦对应弦对应RHIC结果表明结果表明QGP是强耦合理想流体，是强耦合理想流体，sQGP。sQGP的的 ，理想流体行为。，理想流体行为。高能粒子在高能粒子在sQGP中传播导致能损中传播导致能损 粒子产生受到介质的影响。粒子产生受到介质的影响。小爆炸的膨胀冷却小爆炸的膨胀冷却 : 宇宙大爆炸膨胀宇宙大爆炸膨胀强子产生强子产生 : 星系的产生星系的产生用用AdS/CFT描述描述弯曲时空的膨胀弯曲时空的膨胀, 与宇宙学的关系？与宇宙学的关系？研究领域的特点研究领域的特点低温夸克物质特性的研究，重离子碰撞物低温夸克物质特性的研究，重离子碰撞物理理正在成长的粒子物理、核物理的新领域，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与天体物理和凝聚态物理也有关联谢谢大家！