高温条件下QCD轴矢反常的格点量子色动力学研究

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理解由量子色动力学(QCD)描述的强相互作用物质相图是当今高能核物理研究中最具挑战性的领域之一。虽然人们对QCD手征相变的研究已有多年的历史了,但对于临界温度附近轴矢反常的强弱却知之甚少。而临界温度附近轴矢反常的强弱会改变手征相变的阶数及其临界普适律。在QCD中,轴矢反常如何在同位旋三重态的标量介子和赝标量介子的两点关联函数中表现出来,只能用非微扰的方法来回答。格点QCD就是从第一性原理出发的研究这一问题最成功的非微扰工具。然而,一方面由于缺乏连续和手征极限外推下的格点QCD计算,另一方面在探究轴矢反常的微观起源时,涉及到的费米子矩阵狄拉克的本征值谱对夸克质量的偏导无法直接在格点数值模拟计算中实现。因此轴矢反常在相转变温度附近到底是仍然存在或是消失,格点界至今还没有一个共识。本文中,为了理解轴矢反常的微观起源,我们首先从狄拉克矩阵的本征值谱的定义出发,并由此建立了全新的狄拉克矩阵的本征值谱对夸克质量的n阶偏导和n+1个无质量狄拉克算符的本征值之间的关联函数的关系式。基于这些关系式,在温度为1.6倍的手征相变温度下,利用(2+1)味高度改进的交错夸克和树图水平的Symanzik规范作用量的格点QCD计算,我们第一次得到了狄拉克矩阵的本征值谱对夸克质量的n阶(n=1,2,3)偏导的结果。格点模拟中轻夸克质量所对应的π介子质量的取值范围为mπ=160-55 MeV,奇异夸克质量被固定到它的物理值。为了做连续极限外推a→0,我们选取了 3个不同的格点间距a=(TNτ)-1=0.12,0.08,0.06 fm,对应到时间方向的格点长度为Nτ=8,12,16。为了研究对体积的依赖关系,在格子的空间方向我们选取了 2到4个不同的Nσ,取值范围从4Nτ到9Nτ。在温度为1.6倍的手征相变温度下,我们没有发现狄拉克矩阵的本征值谱在接近于零的小本征值区域有缺口。相反,我们发现在小本征值区域,狄拉克矩阵的本征值谱有一个峰。这个峰是由于小本征值区间的本征值谱的非泊松关联引起的,当趋近于连续极限时,峰的高度变得越来越高而且它正比于夸克质量的平方。我们的结果表明正是由于小本征值区间本征值谱这样的行为,才导致了轴矢反常在标量介子和赝标量介子的两点关联函数中是显现的。这是人们第一次确定出了在连续和手征极限外推下轴矢反常在温度为1.6倍的相转变温度处是显现的。这些结果表明:1)在温度大于等于1.6倍的手征相变温度下,轴矢反常的微观成因是由弱相互作用的瞬时子气体中p(λ→0,ml→0)~ml2δ(λ);2)在(2+1)味QCD中,手征相变属于普适类为O(4)群的二阶相变。
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