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手征对称性及其破缺是强相互作用和强子物质世界的基本特征,通过对强相互作用和强相互作用物质的手征对称性及其破缺和恢复等相变的研究,可以使我们认识强相互作用的基本规律,了解新的强相互作用物质形态,获得早期宇宙演化的信息,还可以检验强相互作用系统的统计物理。因此,对强相互作用系统的手征对称性相变等的研究是当代粒子物理、原子核物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心的重大课题。由于问题的复杂性,关于有限尺度下同位旋不对称的夸克物质的研究刚刚起步。由于Narnbu-Jona-Lasinio(NJL)模型具有QCD的手征对称性及其破缺的特征,并考虑了四点相互作用,易于进行实际计算,因此该模型被广泛应用于研究有限温度有限密度的强相互作用物质的相结构及相变。本文中我们也利用NJL模型对有限尺度下的夸克物质的手征对称性破缺及恢复相变和同位旋对称性的演化进行研究。
本文首先介绍了手征对称性及其破缺的概念、NJL模型的理论框架及其在强子结构和有限温度有限密度强相互作用物质等方面研究中的应用。我们详细地介绍了在u、d两味夸克的NJL模型框架下,利用多重反演展开近似考虑表面和曲率两种有限尺度效应,对有限尺度下的夸克物质相变进行研究。我们的研究结果表明,在零温度情况下,如果有限尺度下的电中性的轻夸克物质系统中u、d夸克数密度不一样,那么它们的组分夸克质量也不一样,并且随着密度增大,组分夸克质量减小,并在临界密度下突变为流夸克质量,即发生手征对称性的恢复相变,并且使u夸克恢复手征对称性的临界密度大于使d夸克恢复手征对称性的临界密度。我们还计算了u、d夸克的同位旋化学势,结果发现,较少夸克数目(几百到几万)的轻夸克物质系统的同位旋化学势的最大值只有几十个MeV,这和无限大体积夸克物质的结论是有差别的。对于无限大体积的夸克物质,人们认为,如果同位旋化学势大于或者等于真空中π介子的质量,就可以出现π凝聚,形成超流相。我们的计算结果或许说明,在零温情况下,较小体积系统中不太可能出现π介子凝聚。