Numerical study of the endpoint of first order phase transition lines in finite density lattice QCD

• Project Area: Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems
• Project/Area Number: 19H05146
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 江尻 信司 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (10401176)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 素粒子論 / 計算物理

Outline of Research at the Start

高温高密度でハドロン相からクォーク・グルーオン相に変化する量子色力学（ＱＣＤ）の相転移を、熱浴中でのクォーク密度の揺らぎの仕方を表す確率分布関数に注目することにより研究する。ＱＣＤの相転移は密度が変わることによって、相転移の性質が変わることが予想されており、そのクォーク密度の確率分布関数の形が相転移の性質を理解するうえで重要な情報となる。高密度でのＱＣＤの数値シミュレーションには「符号問題」という深刻な問題があるが、本研究では、その符号問題を回避する方法について議論する。さらに、クォーク密度など物理量の確率分布関数を数値シミュレーションにより計算する方法の確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

ハドロン相からクォーク・グル-オン相に変化するＱＣＤの有限温度相転移は、低密度では熱力学的特異性を持たないクロスオーバーで、ある臨界密度から一次相転移に変わると予想されている。その高密度での相転移の性質の変化を、熱浴中での粒子密度の出現確率を表す確率分布関数に注目して研究を行った。粒子密度の確率分布関数は粒子数を固定したカノニカル分配関数を構築することによって得られる。しかし、格子ＱＣＤの有限温度相転移を理解するうえで重要なZ(3)センター対称性が、有限体積で厳密に保たれている場合、粒子数が３の倍数の場合を除き、確率分布関数は必ずゼロとなる。U(1)ゲージ理論の場合、この問題はより極端で、センター対称性により電荷がある状態は存在できなくなる。本研究では、その問題に対する解決策を議論した。同時に、有限密度格子ゲージ理論における重要問題である符号問題の、センター対称性による回避方法を提案した。まず、極端な例であるU(1)格子ゲージ理論を扱い、フェルミオン質量が重い場合、実際に数値シミュレーションを行うことにより、本研究で提案した方法で有限密度でのカノニカル分配関数の計算が可能であることを例示した。さらに、この方法のＱＣＤへの適用について議論した。
また、カノニカル分配関数は、クォーク行列式のホッピングパラメータ展開と密接な関係があるが、その展開を用いてクォークが重い領域での一次相転移がクロスオーバーに変わる臨界質量の計算も行った。
さらに、最近注目されているグラディエント・フローという方法を用いた熱力学量の計算も行った。特に、SU(3)ゲージ理論の一次相転移点における潜熱について詳しく調べ、従来の方法と比較した。格子が粗い場合の結果は一致し、同じ計算コストでより細かい格子での精度の良い結果が得られることがわかった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Scope and convergence of the hopping parameter expansion in finite-temperature quantum chromodynamics with heavy quarks around the critical point (2022)
  • Author(s): Wakabayashi Naoki、Ejiri Shinji、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2022 Issue: 3 Pages: 1-27
  • DOI: 10.1093/ptep/ptac019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Latent heat and pressure gap at the first-order deconfining phase transition of SU(3) Yang-Mills theory using the small flow-time expansion method (2022)
  • Author(s): Kazuyuki Kanaya, Mizuki Shirogane, Shinji Ejiri, Ryo Iwami, Masakiyo Kitazawa, Hiroshi Suzuki, Yusuke Taniguchi, Takashi Umeda
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: LATTICE 2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Particle density probability distribution function and center symmetry breaking in finite density lattice gauge theories (2022)
  • Author(s): Shinji Ejiri
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: LATTICE 2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Finite-size scaling around the critical point in the heavy quark region of QCD (2021)
  • Author(s): Kiyohara Atsushi、Kitazawa Masakiyo、Ejiri Shinji、Kanaya Kazuyuki
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 11 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.114509
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nf=2+1 QCD thermodynamics with gradient flow using two-loop matching coefficients (2020)
  • Author(s): Taniguchi Yusuke、Ejiri Shinji、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Suzuki Hiroshi、Umeda Takashi、WHOT-QCD Collaboration
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 1 Pages: 1-25
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.014510
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Latent heat and pressure gap at the first-order deconfining phase transition of SU(3) Yang?Mills theory using the small flow-time expansion method (2020)
  • Author(s): WHOT-QCD Collaboration、Shirogane Mizuki、Ejiri Shinji、Iwami Ryo、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Suzuki Hiroshi、Taniguchi Yusuke、Umeda Takashi
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2021 Issue: 1 Pages: 1-26
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa184
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determination of the endpoint of the first order deconfiniement phase transition in the heavy quark region of QCD (2020)
  • Author(s): Ejiri Shinji、Itagaki Shota、Iwami Ryo、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Kiyohara Atsushi、Shirogane Mizuki、Taniguchi Yusuke、Umeda Takashi、WHOT-QCD Collaboration
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: LATTICE 2019 Pages: 071-071
  • DOI: 10.22323/1.363.0071
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Calculation of PCAC mass with Wilson fermion using gradient flow (2020)
  • Author(s): Baba Atsushi、Ejiri Shinji、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Suzuki Asobu、Suzuki Hiroshi、Taniguchi Yusuke、Umeda Takashi
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: 363 Pages: 191-191
  • DOI: 10.22323/1.363.0191
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] End point of the first-order phase transition of QCD in the heavy quark region by reweighting from quenched QCD (2020)
  • Author(s): S. Ejiri, S. Itagaki, R. Iwami, K. Kanaya, M. Kitazawa, A. Kiyohara, M. Shirogane, T. Umeda
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 101 Issue: 5 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.054505
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Study of 2+1 flavor finite-temperature QCD using improved Wilson quarks at the physical point with the gradient flow (2019)
  • Author(s): Kanaya Kazuyuki、Baba Atsushi、Suzuki Asobu、Ejiri Shinji、Kitazawa Masakiyo、Suzuki Hiroshi、Taniguchi Yusuke、Umeda Takashi
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: 363 Pages: 088-088
  • DOI: 10.22323/1.363.0088
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Equation of state near the first order phase transition point of SU(3) gauge theory using gradient flow (2019)
  • Author(s): Shirogane Mizuki、Ejiri Shinji、Iwami Ryo、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Suzuki Hiroshi、Taniguchi Yusuke、Umeda Takashi
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: LATTICE 2018 Pages: 164-164
  • DOI: 10.22323/1.334.0164
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Study of energy-momentum tensor correlation function in Nf=2+1 full QCD for QGP viscosities (2019)
  • Author(s): Taniguchi Yusuke、Baba Atsushi、Suzuki Asobu、Ejiri Shinji、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Shimojo Takanori、Suzuki Hiroshi、Umeda Takashi
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: LATTICE 2018 Pages: 166-166
  • DOI: 10.22323/1.334.0166
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measuring of chiral susceptibility using gradient flow (2019)
  • Author(s): Baba Atsushi、Ejiri Shinji、Kanaya Kazuyuki、Kitazawa Masakiyo、Shimojo Takanori、Suzuki Asobu、Suzuki Hiroshi、Taniguchi Yusuke、Umeda Takashi
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: LATTICE 2018 Pages: 173-173
  • DOI: 10.22323/1.334.0173
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 重クォーク領域における臨界点決定のためのホッピングパラメタ展開の収束性 (2022)
  • Author(s): 江尻信司, 金谷和至, 北沢正清, 若林直輝
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] ホッピングパラメタ展開の高次項と収束性 (2022)
  • Author(s): 北沢正清, 江尻信司, 金谷和至
  • Organizer: 日本物理学会第77 回年次大会
• [Presentation] SFtX法によるNf=2+1フレーバーQCDの熱力学量 (2022)
  • Author(s): 鈴木博, 江尻信司, 金谷和至, 北沢正清, 谷口祐介, 梅田貴士
  • Organizer: 日本物理学会第77 回年次大会
• [Presentation] 格子ゲージ理論の有限温度相転移におけるグラディエントフローと磁気単極子 (2022)
  • Author(s): 堀越優弥, 江尻信司
  • Organizer: 日本物理学会第77 回年次大会
• [Presentation] Small flow-time expansion 法によるSU(3)格子ゲージ理論の一次相転移点における潜熱と圧力差 (2021)
  • Author(s): 江尻信司, 白銀瑞樹, 石見涼, 金谷和至, 北沢正清, 鈴木博, 谷口祐介, 梅田貴士
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] SFtX法を用いたWilson fermionの下でのカイラル感受率の測定 (2021)
  • Author(s): 馬場惇, 梅田貴士, 江尻信司, 金谷和至, 北沢正清, 鈴木遊, 鈴木博, 谷口裕介
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] Particle density probability distribution function and center symmetry breaking in finite density lattice gauge theories (2021)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: Lattice 2021, International Symposium on Lattice Field Theory
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Latent heat and pressure gap at the first-order deconfining phase transition of SU(3) Yang-Mills theory using the small flow-time expansion method (2021)
  • Author(s): 金谷和至, 白銀瑞樹, 江尻信司, 石見涼, 北沢正清, 鈴木博, 谷口祐介, 梅田貴士
  • Organizer: Lattice 2021, International Symposium on Lattice Field Theory
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] U(1)格子ゲージ理論におけるグラディエントフローと磁気単極子 (2021)
  • Author(s): 堀越優弥, 江尻信司
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 重クォーク領域の臨界点周辺における有限サイズスケーリングの精密測定 (2021)
  • Author(s): 北沢正清, 清原淳史, 江尻信司, 金谷和至
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Phase structure of QCD in the heavy quark region (2021)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: YITP workshop “QCD phase diagram and lattice QCD”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Small flow-time expansion 法によるSU(3)格子ゲージ理論の一次相転移点における潜熱と圧力差 (2021)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会
• [Presentation] End point of first order phase transitions and sign problem in finite density lattice gauge theories (2020)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 第3回クラスター階層領域研究会
  • Invited
• [Presentation] 有限密度格子ゲージ理論におけるセンター対称性による符号問題の回避法を 用いた粒子密度確率分布関数 (2020)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 熱場の量子論とその応用
• [Presentation] センター対称性による有限密度格子ゲージ理論における符号問題の回避 (2020)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Small Flow time eXpansion (SFtX)法による2+1フレーバーQCDの熱力学 (2020)
  • Author(s): 鈴木博，梅田貴士，江尻信司，金谷和至，北沢正清，鈴木遊，谷口裕介，馬場惇
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Improvement of the SFtX method based on the gradient flow in the study of finite temperature N_f_=2+1 QCD (2020)
  • Author(s): 金谷和至，梅田貴士，江尻信司，北沢正清，鈴木博，谷口裕介
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] SFtX法を用いたカイラル感受率の測定 (2020)
  • Author(s): 馬場惇, 梅田貴士, 江尻信司, 金谷和至, 北沢正清, 鈴木遊, 鈴木博, 谷口裕介
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Quark number distribution function and center symmetry in finite density lattice QCD (2020)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: International Symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有限密度格子QCDにおけるクォーク密度確率分布関数と符号問題について (2020)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会 (開催中止)
• [Presentation] Numerical study of the endpoint of first order phase transition lines in finite density Lattice QCD Density Fluctuations, Sign problem (2019)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 第二回クラスター階層領域研究会
  • Invited
• [Presentation] Determination of the endpoint of the first order deconfiniement phase transition in the heavy quark region of QCD (2019)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: Lattice 2019, International Symposium on Lattice Field Theory
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Center symmetry and the sign problem of finite density lattice gauge theory (2019)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: XQCD 2019, International workshop on QCD in extreme conditions
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 有限密度格子ゲージ理論における符号問題とセンター対称性 (2019)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 熱場の量子論とその応用
• [Presentation] 有限密度格子QCDにおけるクォーク密度確率分布関数と符号問題について (2019)
  • Author(s): 江尻 信司
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会