格子 qcd 数値計算を用いた qgp 相におけるクォークの探求

28
格格 QCD 格格格格格格格格 QGP 格格格格格格格格格格格格 格格格格 NP, 30, Oct., 2007 F. Karsch and M.K., Phys. Lett. B, in press. (arXiv:0708.0299)

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RCNP, 30, Oct., 2007. 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求. 北沢正清. F. Karsch and M.K., Phys. Lett. B, in press. (arXiv:0708.0299). Phase Diagram of QCD. in the deconfined phase as the basic degrees of freedom of QCD will have many informations of the matter. property of quarks in this region. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

格子 QCD 数値計算を用いた

QGP 相におけるクォークの探求

北沢正清

RCNP, 30, Oct., 2007

F. Karsch and M.K., Phys. Lett. B, in press.(arXiv:0708.0299)

Page 2: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD

Tc

0

hadron phase(confined phase) color superconductivity

T Lattice QCD Monte Carlo simulation= first principle calculation of QCD

property of quarks in this region

•in the deconfined phase•as the basic degrees of freedom of QCD•will have many informations of the matter

Page 3: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD

Tc

0

hadron phase(confined phase) color superconductivity

T

•Boyd, Gupta, Karsch, NPB 385,481(’92).•Petreczky, et al., NPPS106,513(’02).•Hamada, et al., hep-ph/0610010.

Lattice QCD Monte Carlo simulation= first principle calculation of QCD

property of quarks in this region

Page 4: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Quarks at Extremely High Quarks at Extremely High TT Quarks at Extremely High Quarks at Extremely High TT

•Hard Thermal Loop approx. ( p, , mq<<T )•1-loop (g<<1)

Klimov ’82, Weldon ’83Braaten, Pisarski ’89

( , ) p

“plasmino”

p / mT

/

mT

6T

gTm

0

1( , )

( , )S

p

p γ p

•Gauge independent spectrum

•2 collective excitations having a “thermal mass”

•The plasmino mode has a minimum at finite p.

Page 5: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

p / m

/

m

Decomposition of Quark Propagator Decomposition of Quark Propagator Decomposition of Quark Propagator Decomposition of Quark Propagator

0

free

0

( ,)

)( ) (

SE E

p p

pp

p

0 ((

))

2

E m

E

p

p

pp

0

0

( )( , ) ( , )

(( ) ),

S S

S

p p

p

p

p

Free quark with mass mHTL ( high T limit )0

HTL

0

( , )( ) ( )

Sp p

p pp

p / mT

/

mT

Page 6: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

0

0

( )

( , )

(

( )

, )

( , )

p

p

p

p

p

Quark Spectrum as a function of Quark Spectrum as a function of mm00 Quark Spectrum as a function of Quark Spectrum as a function of mm00

Quark propagator in hot medium at T >>Tc

- as a function of bare scalar mass m0

•How is the interpolating behavior?•How does the plasmino excitation emerge as m00 ?

m0 << gT

m0 >> gT

We know two gauge-independent limits:

m0mT-mT

+(,p=0) +(,p=0)

Page 7: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Fermion Spectrum in QED & Yukawa Model Fermion Spectrum in QED & Yukawa Model Fermion Spectrum in QED & Yukawa Model Fermion Spectrum in QED & Yukawa Model Baym, Blaizot, Svetisky, ‘92

0

1( )

2L i i m g

Yukawa model:

1-loop approx.:

m0/T=0.01

0.80.450.3

0.1

+(

,p=

0)

Spectral Function for g =1 , T =1

0 / 1m T thermal mass mT=gT/4

0 / 1m T single peak at m0

Plasmino peak disappearsas m0 /T becomes larger.

cf.) massless fermion + massive bosonM.K., Kunihiro, Nemoto,’06

Page 8: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Simulation Setup Simulation Setup Simulation Setup Simulation Setup

•quenched approximation•clover improved Wilson•Landau gauge fixing

T Lattice size

1.5Tc 6.64 483x12

6.87 643x16, 483x16

3Tc 7.19 483x12

7.45 643x16, 483x16

•vary bare quark mass m0 •for zero momentum p=0

•2-pole approx. for +(,p=0)

•wall source

Page 9: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Simulation Setup Simulation Setup Simulation Setup Simulation Setup

•quenched approximation•clover improved Wilson•Landau gauge fixing

T Lattice size

1.5Tc 6.64 483x12

6.87 643x16, 483x16

3Tc 7.19 483x12

7.45 643x16, 483x16

•vary bare quark mass m0 •for zero momentum p=0

•2-pole approx. for +(,p=0)

•wall source

Page 10: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Simulation Setup Simulation Setup Simulation Setup Simulation Setup

1 21 2( ) ( ) ( )E EZ Z

4-parameter fit E1, E2, Z1, Z2

•2-pole approx. for +(,p=0)

•wall source

T Lattice size

1.5Tc 6.64 483x12

6.87 643x16, 483x16

3Tc 7.19 483x12

7.45 643x16, 483x16

•quenched approximation•clover improved Wilson•Landau gauge fixing

•vary bare quark mass m0 •for zero momentum p=0

Page 11: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Correlation Function Correlation Function Correlation Function Correlation Function 0

0

( , ) ( ) ( )

( ) ( )S

C C C

C C

0

( )C

•We neglect 4 points near the source from the fit.•2-pole ansatz works quite well!! ( 2/dof.~2 in corr. fit )

643x16, = 7.459, = 0.1337, 51confs.

/T

1 2 ( )1 2( ) e eE EC z z

Fitting result

Page 12: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

mm00 Dependence of Dependence of CC++(() ) mm00 Dependence of Dependence of CC++(() )

( )C

= 0.134

= 0.132

= 0.130

/T

•Shape of C+() changes from chiral symmetric to single pole structures.

c=0.13390

m0: small

m0: large

Page 13: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

0

1 1 1

2 c

m

Spectral Function Spectral Function Spectral Function Spectral Function

E1E2

Z1

Z2

E1E2

Z1Z2

T = 3Tc 643x16 (= 7.459)

E2

E1

2

1 2

Z

Z Z

= m0 pole of free quark

m0 / T

E /

TZ

2 / (

Z1+

Z 2)

T=3Tc

1

2

1

2

( ) ( )

( )

E

E

Z

Z

Page 14: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

0

1 1 1

2 c

m

Spectral Function Spectral Function Spectral Function Spectral Function T = 3Tc 643x16 (= 7.459)

E2

E1

2

1 2

Z

Z Z

= m0 pole of free quark

m0 / T

E /

TZ

2 / (

Z1+

Z 2)

1

2

1

2

( ) ( )

( )

E

E

Z

Z

•Limiting behaviors for are as expected.•Chiral symmetry of quark propagator restores around m0=0.•Quarks in the chiral limit have a thermal mass!•E2>E1 : qualitatively different from the 1-loop result.

0 00,m m

T=3Tc

Page 15: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Temperature Dependence Temperature Dependence Temperature Dependence Temperature Dependence

•mT /T is insensitive to T.•The slope of E2 and minimum of E1 is much clearer at lower T.

T = 3Tc

T =1.5Tc

minimum of E1

E2

E1

2

1 2

Z

Z Z

m0 / T

E /

TZ

2 / (

Z1+

Z 2)

643x16

Page 16: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Lattice Spacing Dependence Lattice Spacing Dependence Lattice Spacing Dependence Lattice Spacing Dependence

643x16 (= 7.459)

483x12 (= 7.192)

E /

T

E2

E1

m0 / T

same physical volumewith different a.

•No lattice spacing dependence within statistical error.

T=3Tc

Page 17: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Spatial Volume Dependence Spatial Volume Dependence Spatial Volume Dependence Spatial Volume Dependence

E2

E1

m0 / T

E /

T

T=3Tc

643x16 (= 7.459)

483x16(= 7.459)

same lattice spacingwith different aspect ratio.

•Excitation spectra have clear volume dependence even for N/N=4.

Page 18: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Extrapolation of Thermal Mass Extrapolation of Thermal Mass Extrapolation of Thermal Mass Extrapolation of Thermal Mass

Extrapolation of thermal mass to infinite spatial volume limit:

•Small T dependence of mT/T, •while it decreases slightly with increasing T.•Simulation with much larger volume is desireble.

3Tc

1.5TcmT /T

3 3/N N

643x16 483x16

T=1.5Tc

T=3Tc

mT /T = 0.800(15)mT = 322(6)MeV

mT /T = 0.771(18)mT = 625(15)MeV

Page 19: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Charm Quark & J/ Charm Quark & J/ charm quark

•Z2/(Z1+Z2) は十分小さい    c-quark は、 free quark に近い粒子描像を持つ。•J/ 粒子は閾値 2mc より高いエネルギーを持つ?

threshold 2mc

PreliminaryPreliminary

T = 1.5Tc

Page 20: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Finite Momentum Finite Momentum

E2

E1

p / T

E /

T

•E2<E1 for finite momentum.

00

0 0

( , ) ( , )

( , )

( , )

( ) ( )

V

S

S S

S p

S

S S

p p

p

p

p p

In the chiral limit,

01(

2)

pp

Preliminary!!!

Preliminary!!!

Page 21: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Effect of Dynamical Quarks Effect of Dynamical Quarks Effect of Dynamical Quarks Effect of Dynamical Quarks

Quark propagatorin quench approximation:

screen gluon field suppress mT?

meson loop will have strong effect if mesonic excitations exist

In full QCD,

massless fermion + massive boson 3 peaks in quark spectrum! M.K., Kunihiro, Nemoto, ‘06

Page 22: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

まとまとめ め まとまとめ め

•light クォークは、ゲージ場の媒質効果により温度程度の熱質量を獲得する。•Heavy クォーク極限では plasmino の寄与は無視でき、自由粒子のそれへ漸近する。•比 mT/T の温度依存性は、今回調べた温度領域で非常に小さい。

•1-loop とは定性的に異なる振る舞い。•強い空間体積依存性。

Puzzles :

臨界温度付近の QGP 相におけるクォークは、熱質量およびplasmino を伴った崩壊幅の小さい準粒子として振る舞っている。

格子 QCD はクォークの解析に適している。

Page 23: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

展望 展望

有限温度多体系としてのQGP の物性物理

基礎理論( QCD )基礎理論( QCD )

クォーク

重イオン衝突実験重イオン衝突実験

クォークの微視的理解cf. M.K., Kunihiro, Nemoto, Mitsutani

•QGP 中のメソン励起、熱力学量•有効模型の構成

観測量

•体積効果: Karsch et al., 1283x16,

   LQGP collaboration, in progress

•full QCD•有限運動量•ゲージ依存性、 T~Tc & T >>Tc

•グルオンの pole mass

数値解析の展望

Page 24: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Choice of Source Choice of Source Choice of Source Choice of Source

Wall source, instead of point source

( , ) ( , ) ( ,0)S x

p 0 x 0

,

1( , ) ( , ) ( ,0)S

V

x y

p 0 x y

point:

wall :

•same (or, less) numerical cost•quite effective to reduce noise!!

the larger spatial volume, the more effective!

t

0K mD

result sourceK

result o rce1

s uK

t

What’s the source?

point

wall

Page 25: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Elliptic Flow Elliptic Flow vv22Elliptic Flow Elliptic Flow vv22

v2

pT 空間v2 >0 v2 <0

•RHIC エネルギーでは v2>0 。•完全流体模型が低 pT でよく成り立つ。

•v2 が飽和する pT は粒子により異なる。

非常に小さい粘性係数

反応平面

短い平均自由行程

実空間

strongly coupled QGP (sQGP)

Page 26: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Elliptic Flow Elliptic Flow vv22Elliptic Flow Elliptic Flow vv22

v2

pT 空間v2 >0 v2 <0

•RHIC エネルギーでは v2>0 。•完全流体模型が低 pT でよく成り立つ。

•v2 が飽和する pT は粒子により異なる。

非常に小さい粘性係数

反応平面

短い平均自由行程

実空間

strongly coupled QGP (sQGP)

クォーク数による scaling が非常に良く成り立っている。                Nonaka, et al.

Recombination Model の成功。

Page 27: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

1exp( ( )

1det exp( )

, ) ( ,0) G F

G

DUD D S SZ

D KU SZ

x 0

Quark Propagator in Quenched Lattice Quark Propagator in Quenched Lattice Quark Propagator in Quenched Lattice Quark Propagator in Quenched Lattice

quenched approx.

1conf.

conf.

1

NK Configurations are distributed

with a weight exp(SG).

0K mD fermion matrix:

Wilson fermion:

in continuum

0mK D r 0

1

2 8m r

0

1 1 1

2 c

m

We can calculate quark propagator with various m0

for a given set of gauge(-fixed) configuration!

Page 28: 格子 QCD 数値計算を用いた QGP 相におけるクォークの探求

Dirac Structure of Quark Propagator Dirac Structure of Quark Propagator Dirac Structure of Quark Propagator Dirac Structure of Quark Propagator

00( , ) ( , ) ( , ) ( , )V SS S S p S p p p p

quark propagator

00

0 0

( , ) ( ) ( )

( ) ( )

SS S S

S S

0

0 0( ) ( )

( ) ( )S S

S S

S S

11

00

01

2

00

11

in stand. repr.p=0

evenodd

0 SS S S ( ) ( )S S

Chiral symmetric Ss=0 S+ is an even function.