最深层次的物质状态－夸克物质
庄鹏飞(zhuangpf@mail.tsinghua.edu.cn)
● 物质的第五态
● QCD超导与超流
● 相对论重离子碰撞
中国科学技术大学，2012,06,08
物质科学包含物质的结构和状态
最深层次的结构:夸克
2004 诺贝尔物理奖
David J. Gross
H. David Politzer Frank Wilczek
问题: 看不见的夸克,质量起源,真空结构
真空不知道，动动真空怎么样？
最深层次的状态：？
熟悉的物质三态: 固态,液态,气态
第四态：原子弹爆炸后产生大块的电磁等离子体
猜测: 是否存在由夸克和胶子组成的色等离子体(QGP)？
2
研究夸克物质的意义
李政道: In order to study the question of ‘vacuum’, we
must turn to a different direction: we should
investigate some ‘bulk’ phenomena by distributing
high energy over a relatively large volume.”
--------------- Rev. Mod. Phys. 47, 267(1975)
from 1897 to present:
to comprehend the largest,
we need only understand the smallest.
from present to 21st century:
to know the smallest,
we need also the largest!
3
如何产生夸克物质
温度密度效应
—>波函数重叠
—> 最深层次物质形态
夸克胶子等离子体 (QGP)
相变：体系对称性质的改变
QCD Phase Transitions:
* deconfinement
* chiral restoration
* color superconductivity
* pion superfluidity
* BCS-BEC crossover
......
4
夸克物质是多学科的交叉领域
superconductivity and
superfluidity at high density
粒子物理,核物理,凝聚态物理,宇宙学,天体物理,……
related to early universe
related to compact stars
related to relativistic heavy ion collisions
清华科技园园标
5
高温强耦合夸克物质理论: Lattice QCD
胶子自相互作用导致跑动耦合常数：高能弱耦合，低能强耦合！
极高温高密可以用微扰QCD，但如何处理强耦合导致的相变？Lattice QCD !
Tc  170MeV  2.31012 K
a strongly coupled quark-gluon plasma even at extremely high temperature !
高密强耦合夸克物质理论：QCD有效模型
有限重子数密度时Lattice QCD有技术困难，尚无精确结果。
Lattice QCD初步结果
大Nc极限下的猜测
Temperature Effect: vacuum excitation
Density Effect:
vacuum condensation
BCS-BEC crossover is a way to understand the running coupling in QCD
7
色对称性自发破缺－色超导
由BCS理论，在QED凝聚态中，两个电子通过交换光子是排斥相互作用，吸引
相互作用是通过交换集体激发模式－声子来实现的 (低温超导)。Cooper对的形成自
发破缺了电磁规范对称性，光子获得了质量。
Frank Wilczek(2004诺贝尔奖): 色超导研究的开创者之一
1
4
L QCD   (i     mq )  g AaTa   Fa Fa
夸克的色味结构导致丰富的色超导相图
Ta ki Ta lj  
Nc  1
 jk  il   ik  jl 

4 Nc
Nc  1
 jkil  ik jl 
4 Nc
第一项在交换初态或末态的两个夸克色指
标时是反对称的，吸引相互作用。在单胶
子交换的层次就使得两个夸克可以配对，
有Diquark凝聚，形成色超导 (高温超导) 。
由于色对称性自发破缺，胶子获得质量。

色电中性的无能隙色超导态
黄梅，何联毅，金猛，赵维勤，庄：2003-2012
稳定的超导态必须是（电，色）荷中性的：
e
e
Q
N
 i i  0,
i
c
c
Q
N
 i i  0,
i
粒子数的差别引起费米面的差别，使得配对的两个费米子不在同一个费米面上，导致
Breached Pairing 色超导态，奇怪的中间温度超导态，解决办法之一是引入有总动
量的LOFF态。
考虑色电中性条件后，无能隙色超导迅速成为QCD相变研究的一个热点。
我们的相关论文被引用1000多次。
同位旋对称性自发破缺－Pion超流
何联毅，姜寅，毛施君，夏涛，金猛，庄：2005-2012
●the Nambu-Jona-Lasinio (NJL) model inspired by the BCS
theory describes well the chiral and color condensate.
t

LNJL    i    m0   0   G     i i 5 

Nambu
2008诺贝尔奖
2
2

●we introduced the pion superfluid in the NJL model .
Goldstone mode
Pion superfluid
phase diagram
BEC
meson spectra function
 (, k )  2Im D(, k )
BCS
相对论重离子碰撞是在实验室实现夸克胶子等离子体的唯一可能方式
LHC Pb+Pb@√s = 5.5A TeV
RHIC Au+Au@√s = 200A GeV
FAIR U+U@Elab = 40A GeV
CSR U+U@Elab = 0.6A GeV
RHIC
LHC ! LHC ! LHC !
searching for the quark-gluon plasma through heavy ion
collisions at ALICE, ATLAS and CMS !
A Grand Opportunity
●RHIC and LHC are making little bang like the big bang.
●studying properties on the microseconds-old universe
that cannot be addressed by any telescope and satellite.
●The Liquid Quark-Gluon Plasma shares common features
with condensed matter, cold atoms and black holes.
如何知道在重离子碰撞中产生了QGP ?
QGP只能是重离子碰撞的中间态，即使在RHIC和LHC产生了QGP，也不
能在末态直接观测到，只能通过携带QGP信号的末态观测量来判断。
QGP的信号：
Jet quenching:
喷注在热密物质中损失能量
Collective flow:
体系的膨胀会产生集体流
Strong fluctuations:
在QCD临界点附近
Quarkonium Production:
热密物质中有Debye屏蔽
Electromagnetic Signals:
电磁信号是最干净的信号
Strangeness enhancement:
QGP中奇异夸克成对产生
Jet quenching
RHIC发现了什么？
NCQ-scaling
Large v2

STAR

models
Jet quenching
J/Ψ suppression
J/psi Production in a Full Tansport Model
朱相雷，刘云朋，周凯，陈保义，许怒，庄 2006-2012
relativistic hydrodynamics for QGP evolution
+ transport equation for J/psi motion
+ QCD equation of state
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J/ψ Yield at SPS, RHIC and LHC
RAA 
J /
AA
J /
c pp

N
 1, no medium effect

  <1, J / supression
>1, J / enhancement

The Jpsi Yields at SPS, RHIC and
LHC Have Similar Behavior !
Is There a Jpsi Observable Which
Is Sensitive to the Hot Medium?
62 GeV

Transverse Momentum Distribution !
Data and Our Model Prediction
RAA 
pt2
AA
pt2
pp
 >1,

  1,
 1,

initial production at SPS
competition at RHIC
regeneration at LHC
19
A Full Transport Approach for Quarkonia in HIC
朱相雷，刘云朋，周凯，陈保义，许怒，庄 2006-2012
● QGP hydrodynamics
 T   0,
  n  0
+ equation of state
(ideal gas or lattice simulation)
●quarkonium transport equations (  J / ,  ', c )
α: suppression β: regeneration
● analytic solution
both initial production and regeneration suffer from screening !
●initial production
f ( p, x , t0 ) , including CNM.
20

Dissociation Cross Section
J / ()  g  Q  Q
● gluon dissociation cross section calculated by OPE (Bhanot, Peskin,1999):
 ( p , pg )
● at finite temperature, we use the classical relation
 ( p , pg , T ) 
r 2 (T )
2
r (0)
 ( p , pg )
r 2 (T ) is calculated through the
Schroedinger equation
● J/Ψ dissociation rate
● regeneration rate is determined by the detailed balance
21

RHIC的实验结果验证了我们的理论预言
QM2011
France
RHIC
QM2011
LHC将测量我们预言的非零椭圆流
(ALICE很快将有结果)
LHC
LHC的实验结果验证了我们的理论预言
NN2012
USA
LHC的实验结果验证了我们的理论预言
NN2012
USA
LHC的实验结果验证了我们的理论预言
NN2012
USA
LHC的实验结果验证了我们的理论预言
NN2012
USA
Averaged Transverse Momentum
We are waiting for the data from LHC
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QM2012
USA

结论与展望
●Lattice QCD计算表明相变是一个Crossover，温度为170 MeV。
●RHIC的相对论重离子碰撞实验发现了产生强耦合夸克胶子等离子体
的信号。
●人们希望在LHC最后抓住夸克胶子等离子体。
●高密QCD超流与超导的理论研究还有困难，和致密星体与中能重离
子碰撞的联系尚不清楚，但表现出与凝聚态和Cold Atom Gas相似的
性质。
革命尚未成功，同志仍需努力！
要想认识最小的，需要认识最大的
李政道
Columbia University，New York，NY 10027
大事物由小事物组成
甚至是更小的。
要想认识最小的
我们也需要知道最大的。
All lie in vacuum
一切都取决于真空
Everywhen and everywhere.
无论何时何地。
How can the micro
微观的事物怎能
Be separate from the macro?
与宏观相分离？
Let vacuum be a condensate
真空其实是一种凝聚
Violating harmony
破坏了和谐。
We can then penetrate
Through asymmetry into symmetry 如此我们方可洞穿
不对称中的对称。
Large things are made of small
And even smaller.
To know the smallest
We need also the largest