kek2014

54
Towards Understanding QCD Phase Diagram Lattice and RHIC Experiments Atsushi Nakamura in Collaboration with K.Nagata Lattice QCD at finite temperature and density 20 Jan. 2014 KEK 1 /40 14119日日曜日

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Towards Understanding QCD Phase Diagram

Lattice and RHIC Experiments

Atsushi Nakamura in Collaboration with K.Nagata

Lattice QCD at finite temperature and density20 Jan. 2014 KEK

1 /40

14年1月19日日曜日

2

QCD Phase Diagram

From Wiki-Pedia “QCD matter”

Very Exciting !Now it’s time for

Lattice QCD.

But how do you reveal it?

Please No Sales-Talk !

14年1月19日日曜日

Canonical Partition Functions

Experiments

Lattice QCD Simulations

3 / 23

14年1月19日日曜日

A few years ago,

Nagata and I were looking for a Reduction formula for Wilson fermions in a finite density QCD project:

4

det �̃ = det�

Reduction Matrix Original Fermion Matrix

Z(µ) =�

DU det �(µ)e�SG

Rank(det �̃) < Rank (det �)Nagata and Nakamura Phys. Rev. D82 094027 (arXiv:1009.2149)

14年1月19日日曜日

5

Obtained formula has the form of the fugacity expansion

� � eµ/T Fugacity

Z(µ) =�

DU�

n

cn�ne�SG

=�

n

Zn�n

Zn : Canonical Partition Function

14年1月19日日曜日

RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)

6

14年1月19日日曜日

Multiplicity !Wao,

It is almost

Multiplicity Distribution of RHIC

Interesting !Zn

14年1月19日日曜日

We assumethe Fireballs created in High Energy Nuclear Collisons are described as

a Statistical System.with (chemical Potential)and T (Temperature)

µ

Grand Canonicalpartition functionZ(µ, T )

All QCD Phase Information is in Z(µ, T )

14年1月19日日曜日

If

Tr e�(H�µN̂)/T

=�

n

�n|e�(H�µN̂)/T |n�

=�

n

�n|e�H/T |n� eµn/T

=�

n

Zn(T )�n

Z(µ, T ) =

�� � eµ/T

Fugacity

Z(µ, T )

9 /40

Zn(T )

14年1月19日日曜日

Partition Function is Sum of the Probabilities with n ...If I know , then I have Zn.�

Experiment

10 /40number

14年1月19日日曜日

How can we extract from ?Pn = Zn�n

� unknown

Z+n = Z�n

We require (Particle-AntiParticle Symmetry)

Experiment

Zn

Observables in Experiments

14年1月19日日曜日

12

� = 1.0 � = 1.2

� = 1.4 � = 1.5

� = 1.534Final Value/40

Zn Zn

ZnZn

Z�n

Z�n

Z�n

Z�n

nn

n n

From Experiment

14年1月19日日曜日

1e-07

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

sqrt(s)=62.4PnP-n

PP n-n

n 1e-10

1e-08

1e-06

0.0001

0.01

1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Net proton number

ZnZ-n

nZZ-n

sqrt(s)=62.4

�Fit

Experiment

Z+n = Z�nDemand

14年1月19日日曜日

Fitted are very consistent with those by Freeze-out Analysis.

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200

!

sNN1/2

Chemical Freeze-Out

x This work

J.Cleymans, H.Oeschler, K.Redlich and S.WheatonPhys. Rev. C73, 034905 (2006)

Freeze-out

14年1月19日日曜日

�s = 19.6GeV

�s = 27GeV

�s = 39GeV

�s = 62.4GeV

�s = 200GeV

from RHIC dataZn

1e-18

1e-16

1e-14

1e-12

1e-10

1e-08

1e-06

0.0001

0.01

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

'Zn_19.6'

1e-14

1e-12

1e-10

1e-08

1e-06

0.0001

0.01

1

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

'Zn_27'

1e-14

1e-12

1e-10

1e-08

1e-06

0.0001

0.01

1

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

'Zn_39'

1e-10

1e-09

1e-08

1e-07

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

'Zn_62.4'

1e-07

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

-15 -10 -5 0 5 10 15

'Zn_200'

Experiment

15 /40

14年1月19日日曜日

Now we have Zn of RHIC data (sqrt(s)= 10.5,19.6, 27, 39, 62.4, 200 GeV)

µ/T

T

Wao ! We can calculate at any density !This includes all QCD Phase information !

(� � eµ/T )14年1月19日日曜日

Do not forget that your n is finite !

I need cooling down

14年1月19日日曜日

Moments �k

�k ⌘✓T

@

◆k

logZ

14年1月19日日曜日

What happens ?

if we increase these points 15%if we dropthese points

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

freeze-out point

/T

42

=19.6 GeV

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5/T

Number Susceptibility

freeze-out point

=27 GeV

Number Susceptibilityps = 27GeV

Usually we consider

(only) here.

14年1月19日日曜日

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7µ/T

Number Susceptibility, sNN1/2=19.6

freeze-out point

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5µ/T

Number Susceptibility, sNN1/2=27

freeze-out point

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4µ/T

Number Susceptibility, sNN1/2=39

freeze-out point

0.38 0.4

0.42 0.44 0.46 0.48

0.5 0.52 0.54 0.56 0.58

0.6

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1µ/T

Number Susceptibility, sNN1/2=62.4

freeze-out point

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1µ/T

Number Susceptibility, sNN1/2=200

freeze-out point

Susceptivility

14年1月19日日曜日

-1

-0.5

0

0.5

1

1 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4µ/T

R42, sNN1/2=19.6

freeze-out point

0.6 0.7 0.8 0.9

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1µ/T

R42, sNN1/2=27

freeze-out point

0.4 0.6 0.8

1 1.2 1.4 1.6 1.8

2 2.2

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1µ/T

R42, sNN1/2=39

freeze-out point

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65µ/T

R42, sNN1/2=62.4

freeze-out point

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45µ/T

R42, sNN1/2=200

freeze-out point

Kurtosis

14年1月19日日曜日

BES(Beem Energy Scan)

14年1月19日日曜日

23

Multiplicity tells us

Not only Freeze-out points

Information of wider regions

Nmax →largeWider

14年1月19日日曜日

Lee-Yang Zeros

24

14年1月19日日曜日

Lee-Yang ZerosZeros of in Complex Fugacity Plane.

Z(↵k) = 0

Great Idea to investigate a Statistical System

�xxxxxx

Phase Transition

Z(�)

25 /40

(1952)

14年1月19日日曜日

26

Lee-Yang Zeros

Non-trivial to obtain.But once they are got, it is easy to figure out the Free-energy

Lee-Yang zeros

F: Free-energy

: zeros�k

2-d Electro-Magnetic

F: Potential

:Point charge�k

Z(�, T ) = e�F/T

14年1月19日日曜日

27

-1-0.5

0 0.5

1 -1-0.5

0 0.5

1

-10

-5

0

5

10

15

20

’out’

F (�) = ��

k

log(� � �k)

14年1月19日日曜日

cut Baum-Kuchen (cBK) Algorithm

1

1

 Number ofZeros in

Contour C

A Coutour is cut into four pieces

if there are zeros inside.50 - 100 number

of significant digits

i ( )

and

28/40

14年1月19日日曜日

29

Is this myOriginal ?

I donot think so.

Let us waituntil someone

claims.

14年1月19日日曜日

Lee-Yang Zeros: RHIC Experiments

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=19.6

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=27

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=39

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=62.4

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=200

Experiment

30/40

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

cos(t), cos(t),sin(t)’plotXY11.5’

14年1月19日日曜日

31

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=200

14年1月19日日曜日

Lee-Yang Zeros Lattice QCD

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[!]

Re[!]

T/Tc=0.99

� = 1.85

T/Tc � 0.99

Z(�) =�

m

Z3m � �3m

Zn = 0 n �= 3munless

� = ei�

� =2�

3Periodicity

( )

32 /40

14年1月19日日曜日

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[!]

Re[!]

T/Tc=0.99

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

'./plotXY_B1870'cos(t), sin(t)

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

'./plotXY_B1890'cos(t), sin(t)

� = 1.85

� = 1.87

� = 1.89

T/Tc � 0.99

T/Tc � 1.01

T/Tc � 1.04

33 /40

14年1月19日日曜日

Lee-Yang Zeros Lattice QCD

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[!]

Re[!]

T/Tc=1.20⇠ = eµ/T

The Unit Cirle in

Imaginary

⇠µ

Roberge-WeiseTransition !

T/Tc � 1.20

34 /40

(� � eµ/T )

14年1月19日日曜日

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[ q

]

Re[ ]

-1

-0.5

0

0.5

1

q

q

10 43

8 43

T/Tc=1.08

-1 -0.5 0 0.5 1Re[ B]

B

10 43

�q �B = �q3

35 /40

14年1月19日日曜日

A Message to Experimentalists

In the Lee-Yang Diagram constructed from your multiplicity,

Zeroshere �q�B

No Roberge-Weise Transition T � TRW� 1.2Tc

Your Temperature

36 /40

14年1月19日日曜日

Lee-Yang Zeros: RHIC Experiments

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=19.6

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=27

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=39

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=62.4

-1

-0.5

0

0.5

1

-1 -0.5 0 0.5 1

Im[! B

]

Re[!B]

sNN1/2=200

37/40

14年1月19日日曜日

Effects of NmaxKim’s Model

38

Z(µq) = I0 + (⇠3q + ⇠�3q )I1 +(⇠6q + ⇠�6

q )I2 + · · ·Ik :Modified Bessel

In Confinement

Lesson from the Model

Nmax Large

Lee Yang ZerosLarge regions|µ|

It should be so!14年1月19日日曜日

Backup Slide

39

14年1月19日日曜日

Find Rooms where No Criminal.

The Target is in other Room.

Not here ! Then, ..

Hunting the QCD Phase Transition Regions

Lower Bound14年1月19日日曜日

0.15

0.16

0.17Te

mpe

ratu

re (G

eV)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Chemical Potential (GeV)!

200

62.439

27

19.6

Freeze-out PointLower bound determined by susceptivility

Phase Transition Regions estimated byLee-Yang Zero distribution

Lower bound determined by negative Kurtosis

14年1月19日日曜日

Other Messages

Net proton multiplicity is Not a conserved quantity.

Baryon multiplicity is perfect

Can you estimate Baryon multiplicity from that of Proton ?

Another conserved quantity is the Charge multiplicity. It should work as well.

42

14年1月19日日曜日

43 /40

You have a Big Chance to find QCD phase Transition !

14年1月19日日曜日

Canonical Partition Functionsis a Bridge

between Two Approachesto Study QCD Phase

Lattice QCD Simulaitions

Experiments

44 /40

14年1月19日日曜日

Lattice QCD Canonical Approach

Miller and RedlichPhys. Rev. D35 (1987) 2524

A.Hasenfratz and ToussaintNucl. Phys.B371 (1992) 539

Barbour and BellNucl. Phys. B372 (1992) 385

Engels, Kaczmarek, Karsch and LaermannNucl.Phys. B558 (1999) 307

deForcrand and KratochvilaNucl. Phys. B (P.S.) 153 (2006) 62 (hep-lat/0602024)

A.Li, Meng, Alexandru, K-F. LiuPoS LAT2008:032 and 178

Phys.Rev. D82(2010) 054502, D84 (2011) 071503

Danzer and GattringerarXiv:1204-1020 Europian Journal

Lattice

45/40

14年1月19日日曜日

Lattice: How to Calculate

Fugacity ExpansionNagata and A. Nakamura, Phys. Rev. D82 (2010) 094027

Lattice

46 /40

Alexandru and Wenger, Phys.Rev.D83 (2011) 034502

14年1月19日日曜日

Four Excuses why not Baryon Multiplicities

1. This is a formulation. Let’s wait until Experimentalists measure Baryon multiplicities

2. After the Freeze-out, the proton number is essentially constant.

3. Expect the proton multiplicity is similar to the baryon multiplicity

4. By some event generators or models, let us calculate the proton and baryon multiplicity.From that data, we can estimate the baryon multiplicity.

47

14年1月19日日曜日

ZGC(µ) =�

Zn�n

�DU(

�an�n)(det�(0))Nf e�SG

=�

DU(�

an�n)(det�(0))Nf e�SG

=�

n

�n

�DUan(det�(0))Nf e�SG

Lattice

48

=

/40

14年1月19日日曜日

from lattice QCDZn

1e-160

1e-140

1e-120

1e-100

1e-80

1e-60

1e-40

1e-20

1

-60 -40 -20 0 20 40 60m=3n

·=Q�����RULJ·

1e-60

1e-50

1e-40

1e-30

1e-20

1e-10

1

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

m=3n

'Zn1950-orig'

1e-90

1e-80

1e-70

1e-60

1e-50

1e-40

1e-30

1e-20

1e-10

1

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

m=3n

'Zn1850-orig'

1e-40

1e-35

1e-30

1e-25

1e-20

1e-15

1e-10

1e-05

1

-30 -20 -10 0 10 20 30

m=3n

'Zn2000-orig'

1e-40

1e-35

1e-30

1e-25

1e-20

1e-15

1e-10

1e-05

1

-30 -20 -10 0 10 20 30

m=3n

'Zn1900-orig'

1e-20

1e-19

1e-18

1e-17

1e-16

15 16 17 18 19 20m=3n

'Zn1850-orig'

Im(Zn) are used as an error

Lattice

49 /40

14年1月19日日曜日

A Strange Fact

There are Lee-Yang Zeros on the unit circle.

Theoretically, a bit annoying.

Phenomenologically, very natural

50 /40

14年1月19日日曜日

51

Z(µ) =� �

f

det �(mf , µf )e�SG

is REAL det �(m,µ)

if is pure Imaginary.µ

On the unit circle in complex plane.�

(� = eµ/T )

14年1月19日日曜日

52

det �(m,µ) is REAL and Positive,

if is pure Imaginary and m is sufficiently large.

µ

Z(µN ) =�

det �(Nucleon)e�SG > 0

Lee-Yang zeros on the unit circle tell usthat Nucleon is a composite.

14年1月19日日曜日

53

Current lattice QCD simulations assumes

mu = md

Z(µN ) =�

(det�(mq, µq))2 � det �(ms, µs) · · · e�SG

Z(µN ) can not take zero.

14年1月19日日曜日

54

µp = 2µu + µd

mu > md

µpPure imaginary does not mean

µu andµd are pure imaginary.

14年1月19日日曜日