2021 Fiscal Year Annual Research Report
高エネルギー原子核衝突実験の理解に基づく超高温QCD物質・QCD相転移現象の解明
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20H00156
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
野中 千穂 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 教授 (10432238)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三好 隆博 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 助教 (60335700)
高橋 博之 駒澤大学, 総合教育研究部, 講師 (80613405)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | クォーク・グルーオン プラズマ / ハドロン物理学 / 高エネルギー原子核衝突実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
クォークとグルーオンの多体系の相転移現象を地球上で実現するべく、高エネルギー原子核衝突実験が世界的な規模で遂行されている。通常、クォークやグルーオンは陽子といったハドロンの中に閉じ込められている。しかし高温・高密度のような極限条件下では量子色力学(QCD)の漸近的自由性によってクォーク・グルーオンプラズマ（QGP)が実現される。ここでは、この高エネルギー原子核衝突実験に対し相対論的流体模型を軸にした現象論的な解析を行うことでQGPのバルクの性質について明らかにすることを目標に研究を遂行している。我々は世界最先端の相対論的粘性流体方程式の数値コードを有し、それを様々な実験解析に適用してきた。その一つは小さな衝突系の解析である。ここから衝突直後の流体化、熱平衡化、特に初期条件についての研究を行った。次に光子生成の解析を行い、それまで問題になっていた光子パズルに一つの解を提示した。さらに相対論的抵抗性電磁流体の開発に着手した。一方で、QCDの低温度、高密度領域で実現すると言われている非一様相の解析を行った。格子QCDは符号問題のために、有限密度への適用は困難である。そのため、ここではQCDの性質をもつとされるGross-Nuveu 模型に対し格子QCDの手法を用いた計算を行った。通常非一様相の解析は何らかの関数を仮定した解析を行うが、我々は何も仮定せずに非一様相の存在を確かめた。また中性子星内部のような高密度で実現すると考えられるカラー超電導相についての解析も行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度は引き続きコロナ禍の影響があったが、オンラインでの国際会議、研究会の開催や行われ始めた。また我々自身がオンラインでの議論に慣れてきたこともあり、少しずつ前年度の遅れを取り戻すことができた。しかし、国内外の出張は依然として制限され、対面での議論をなかなか実現させることができなかった。Large Hadron Collider (LHC)における鉛ー鉛衝突に加え、小さい系、鉛ー陽子衝突系についても構築した模型での解析を一旦終了させることができた。今年度は計画通り、研究員を雇用し、高エネルギー原子核衝突実験におけるレプトン対の不変質量分布の解析を開始した。それに加え、高エネルギー重イオン衝突実験では、衝突直後に強磁場が生成されると言われているが、その時間発展の様子はまだよくわかっていない。その解明のために、相対論的抵抗性電磁流体の構築に取り組んだ。
高エネルギー衝突実験では衝突軸方向に強いフローが存在するが、その状況を取り扱うのに、便利なミルン座標系での数値電磁流体コードの構築に取り組んだ。また２つの重イオンの衝突後、短時間で流体化と熱平衡化に達すると予想されているが、この過程はまだよくわかっていない。そのため、このプロセスを理解するために、パートンカスケードを作成した。
一方で低温度、高密度領域における相構造を明らかにするために、1+2次元Gross-Nuveu 模型に注目し、ハイブリッドモンテカルロ計算を行った。その結果、従来のようにある関数を仮定することなく非一様相の存在を確認した。さらにこの計算をカイラルGross-Nuveu 模型へ拡張した。
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| Strategy for Future Research Activity |
電磁プローブの一つであるレプトン対の不変質量分布について引き続き研究を遂行していく。今年度の研究によってハドロンのスペクトラムの違いの影響がレプトン対の不変質量分布の振る舞いに現れ、QCDのカイラル混合にアプローチできることがわかった。次に実際の実験の条件に合わせた計算を行い、定量的な議論を目指す。パートンカスケードの模型が完成したので、次年度は流体化、熱平衡化に関連した物理提言を目指す。さらに流体模型の初期条件構築も目指す。相対論的抵抗性電磁流体については今年度コードを完成し、電荷依存したフローから電気伝導度を得ることに成功した。しかし、まだ理想気体の状態方程式を用いているため、格子QCDで得られた状態方程式に置き換える必要がある。さらにLHCのエネルギー領域に適用したり、RHICの衝突エネルギースキャン実験(BES) の解析も行う。BES実験に適用するためには現在の計算では無視しているバリオン数密度を考慮する必要がある。さらにQCD臨界点の解析などの拡張も行う。もう一つの方向性として相対論的抵抗性電磁流体のカイラル電磁流体の拡張がある。これが成功すれば、高エネルギー重イオン衝突実験における定量的な最初の解析になる。さらにカイラル電磁流体は中性子性星内部の計算への拡張も期待できる。流体ゆらぎと多粒子フロー相関については早急に論文にまとめる予定にしている。さらに、QCD臨界点との関連も含めた研究を展開予定である。
低温度・高密度領域の非一様相に関する相構造の判定について新しい方法を提案し、それに基づいた解析を行なっているところである。こちらについても早急に論文にまとめることを計画している。
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