Topological analyses of hadron-quark transition by persistent homology

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K03974
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Saga University
• Principal Investigator: Kouno Hiroaki 佐賀大学, 理工学部, 教授 (80234706)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: パーシステントホモロジー / 量子色力学 / 現象論模型 / クォーク / 相転移

Outline of Final Research Achievements

Using the persistent homology method, topological properties of hadron-quark transition was studied. It is well known that hadrons (baryons and mesons) consist of quarks and anti-quarks. At high temperature and/or high density, transitions from hadrons to quark matter are expected to occur. In principle, this phenomenon is described by Quantum chromodynamics (QCD) which is the basic theory of strong interaction. However, at high temperature, this transition is smooth crossover and it is difficult to distinguish quark phase from hadron phase. In this research, topology of the data obtained by using the simulations of QCD and its effective theory was analyzed by using the persistent homology analyses. It was shown that quark phases can be distinguished from hadron phase by the persistent homology analyses.

Free Research Field

原子核理論（理論核物理）

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

クォーク物質は加速器での生成が成功したと考えられているが、それ以外にも宇宙初期の高温状態や中性子星などの超高密度天体の内部にも存在していると考えられる。したがって、高温高密度におけるハドロンからクォーク物質への転移は、素粒子・原子核物理学のみならず、宇宙物理学や天体物理学においても非常に重要な問題である。しかし、その転移の性質はまだよく解明されていない。この研究は、この転移の解明に新しい手法を提案するものであり、大きな学術的意義がある。また、素粒子・原子核や宇宙・天体物理学は人類の根源的な問に答えるものであり、その意味で社会的意義も大きいと考えらえる。