量子色動(dòng)力學(xué)凝聚態(tài)物理市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

量子色動(dòng)力學(xué)凝聚態(tài)物理王群中國(guó)科技大學(xué)/近代物理系.4第1頁(yè)第1頁(yè)量子色動(dòng)力學(xué)核力(強(qiáng)作用力)是自然界四種基本力之一夸克和膠子構(gòu)成核子，強(qiáng)作用力基本粒子量子色動(dòng)力學(xué):強(qiáng)作用基本理論基本特性:夸克禁閉(沒有自由夸克和膠子)(04’諾貝爾物理獎(jiǎng))克雷研究所：新千年七大數(shù)學(xué)物理難題之一(＄1,000,000)禁閉問題處理，將使我們對(duì)核力結(jié)識(shí)與控制能力有質(zhì)奔騰第2頁(yè)第2頁(yè)兩種哲學(xué)還原vs出現(xiàn)(ReductionvsEmergence)還原：出現(xiàn)(MoreIsDifferent–P.W.Anderson)波粒二相性：粒子起源波起源，多粒子體系自組織產(chǎn)生準(zhǔn)粒子或元激發(fā)第3頁(yè)第3頁(yè)還原主義和出現(xiàn)主義QCD還原主義QCD：夸克和膠子作為點(diǎn)粒子出現(xiàn)主義QCD：QCD凝聚態(tài)，夸克和膠子作為準(zhǔn)粒子或集體激發(fā)，其動(dòng)力學(xué)與真空中不同第4頁(yè)第4頁(yè)還原主義和出現(xiàn)主義弦論還原主義弦論：所有基本粒子都是弦激發(fā)出現(xiàn)主義弦論：各種波動(dòng)場(chǎng)(光子，狄拉克費(fèi)米子，引力子)都是弦網(wǎng)凝聚態(tài)激發(fā)(X.-G.Wen,…)第5頁(yè)第5頁(yè)禁閉解除-夸克物質(zhì)新物態(tài)◆

壓縮和加熱核物質(zhì)能夠使夸克解除禁閉

(李政道,1974;Collins&Perry,1975)◆

宇宙中存在夸克物質(zhì)狀態(tài)▲致密星體內(nèi)部存在夸克物質(zhì)▲大爆炸最初幾秒鐘高密夸克物質(zhì)高溫夸克物質(zhì)第6頁(yè)第6頁(yè)重核碰撞:高溫夸克物質(zhì)核變成非常扁圓盤Lorentz收縮因子g=100兩核互相穿越穿越時(shí)間<1fm/c猛烈橫向膨脹產(chǎn)生高溫最后階段:較大體積內(nèi)冷凝Au+Au對(duì)心碰撞40x1012eV~6micro-Joule人類聽力靈敏度~10-11erg=10-18Joule高溫：萬(wàn)億度()，能夠把核子溶化第7頁(yè)第7頁(yè)RecordedSmallBang(RHIC-STAR)Endviewofacollisionoftwo30-billionelectron-voltgoldbeamsintheSTARdetectorattheRelativisticHeavyIonCollideratBrookhavenNationalLaboratory,Thebeamstravelinoppositedirectionsatnearlythespeedoflightbeforecolliding.(Courtesy:BrookhavenNationalLaboratory)第8頁(yè)第8頁(yè)致密星中低溫夸克物質(zhì)取自F.Weber,astro-ph/007155第9頁(yè)第9頁(yè)解禁閉相變路線圖第10頁(yè)第10頁(yè)第11頁(yè)第11頁(yè)低溫夸克物質(zhì)基態(tài):

色超導(dǎo)態(tài)色超導(dǎo)態(tài)：夸克之間兩兩配正確狀態(tài)早期歷史：Barrois(77’),Bailin&Love(84’)研究熱潮：MIT組(98’),StonyBrook組(98’)，色味耦合態(tài)色超導(dǎo)態(tài)相結(jié)構(gòu)非常豐富,夸克有兩個(gè)新自由度：顏色和味道第12頁(yè)第12頁(yè)超導(dǎo)態(tài)基本性質(zhì)水銀超導(dǎo)電性溫度(K)I類II類磁渦旋電阻兩個(gè)基本長(zhǎng)度或能標(biāo):穿透長(zhǎng)度:相干長(zhǎng)度:

無(wú)耗散性邁斯納效應(yīng)第13頁(yè)第13頁(yè)能隙-色超導(dǎo)能標(biāo)之一無(wú)耗散性:小擾動(dòng)不足以激發(fā)準(zhǔn)粒子第14頁(yè)第14頁(yè)得到了超導(dǎo)態(tài)主要尺度或能標(biāo)-邁斯納效應(yīng)穿透長(zhǎng)度使用了一個(gè)新方法計(jì)算了膠子和光子混合模式(類似于弱電統(tǒng)一理論中光子-W/Z混合)新光子在顏色-自旋耦合相中有質(zhì)量→有電磁Meissner效應(yīng)，(與以往結(jié)論是不同)自旋為1色超導(dǎo)體是第一類超導(dǎo)體邁斯納質(zhì)量-色超導(dǎo)能標(biāo)之二第15頁(yè)第15頁(yè)第16頁(yè)第16頁(yè)第17頁(yè)第17頁(yè)第18頁(yè)第18頁(yè)第19頁(yè)第19頁(yè)第20頁(yè)第20頁(yè)S=0配對(duì)2-flavorSC(2SC)Bailin,Love(1984)Color-flavor-locking(CFL)Alford,Rajagopal,Wilczek(1984)第21頁(yè)第21頁(yè)S=1配對(duì)PolarphaseSchafer()Color-spin-locking(CSL)Bailin,Love(1984)Schafer()第22頁(yè)第22頁(yè)P(yáng)airbreaking?不對(duì)稱配對(duì)rarecaserealcaseincolddensequarkmatter摘自黃梅匯報(bào)第23頁(yè)第23頁(yè)

urugubdgdrdb化學(xué)平衡和電中性色中性條件摘自黃梅匯報(bào)第24頁(yè)第24頁(yè)弱耦合近似下能隙Son(1999);Pisarski,Rischke();Brown,Liu,Ren();Rischke,Wang()DependingonphasesCharacteristicofCSC第25頁(yè)第25頁(yè)能隙(結(jié)果)2SCCFLCSLpolarspin001110.570.57Two-gapstructurebreaksBCS-ratioExponentialsuppressionfactorinCSLfromangularintegral(Zerotemperature)(transitiontemperature)Schmitt,Wang,Rischke,PRD()第26頁(yè)第26頁(yè)MixingofgluonandphotoninCSCNewelectricchargeand8thcolorchargeNewphotonandgluonNewcouplingconstant光子與膠子邁斯納質(zhì)量第27頁(yè)第27頁(yè)與弱電模型比較第28頁(yè)第28頁(yè)計(jì)算辦法Nambu-Gorkovbasis:Calculatepolarizationtensordiagonalization第29頁(yè)第29頁(yè)第30頁(yè)第30頁(yè)Rotatedphotoncanpenetrateinto2SCandCFL:noEMMeissnereffectRotatedphotoninCSLphaseshasanon-vanishingmass:EMMeissnereffectSince,inweakcouplings,spin-1color-superconductor(CSLorpolarphase)atype-Isuperconductor邁斯納質(zhì)量：結(jié)果總結(jié)Schmitt,QW,Rischke,PRL()第31頁(yè)第31頁(yè)色超導(dǎo)與電超導(dǎo)比較第32頁(yè)第32頁(yè)強(qiáng)耦合與弱耦合色超導(dǎo)強(qiáng)耦合(BEC)情形弱耦合(BCS)情形第33頁(yè)第33頁(yè)BEC和BCS配對(duì)差別fermionicbosonicEbTdependenceEF

dependence

T

independentEFindependent第34頁(yè)第34頁(yè)模型計(jì)算結(jié)果能隙和有效化學(xué)勢(shì)費(fèi)米子和玻色子數(shù)密度x是BEC-BCS轉(zhuǎn)換參數(shù)x<0,BCS區(qū)域X>0,BEC區(qū)域Deng,Schmitt,Wang,nucl-th/0611097第35頁(yè)第35頁(yè)模型計(jì)算結(jié)果第36頁(yè)第36頁(yè)費(fèi)米與玻色量子液體AtomicsystemsAtomicBEC(1995):WeaklyinteractingbosegasFermionicatomgasCondensedmattersystemSuperconductor(1911)4He(1937),3He(1971)High-Tcsuperconductor(1987)1021cm-31012cm-31nK100KDensityTemp.Tobridgedifferentregimes…WeakinteractiontostronginteractionBosonstoFermionsandviceversa第37頁(yè)第37頁(yè)試驗(yàn)裝置Efficientloadingintotheopticaltrap:~107thermalatomsTimeEvolutionAbsorptionimages第38頁(yè)第38頁(yè)新思想:規(guī)范場(chǎng)/弦相應(yīng)RHIC結(jié)果表明QGP是強(qiáng)耦合抱負(fù)流體，sQGP。sQGP