21
格格 QCD 格格格格格格格格格格格 QGP 格格格格格格格格格格格格格格格格格格 格格格 格格格 ( ( 格格 格格 ) ) in collaboration with in collaboration with 格格格格 格格格格 , , 格格格格 格格格格 , , 格格格格 格格格格 ( ( 格格格格格 格格格格格 ) ) 格格格格 格格格格 ( ( 格格格格格格 格格格格格格 ) ) 格格格格 格格格格 , , 格格格格 格格格格 ( ( 格格格格 格格格格 ) ) 格格格格 格格格格 (BNL) (BNL) 格格格格 格格格格 ( ( 格格格格 格格格格 ) ) WHOT-QCD Collaboration 格格格 格格格格格格 @ KEK, 2009 格 8 格 11—13 格 WHOT-QCD Coll. arXive:0907.4203 WHOT-QCD Coll. PoS LAT2007 (2007) 207 WHOT-QCD Coll. Phys. Rev. D75 (2007) 074501

格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

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W HOT-QCD Collaboration. 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究. 前沢祐 ( 理研 ) in collaboration with 青木慎也 , 金谷和至 , 大野浩史 ( 筑波大物理 ) 浮田尚哉 ( 筑波大計算セ ) 初田哲男 , 石井理修 ( 東京大学 ) 江尻信司 (BNL) 梅田貴士 ( 広島大学 ). WHOT-QCD Coll. arXive:0907.4203 WHOT-QCD Coll. PoS LAT2007 (2007) 207 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

格子 QCD シミュレーションによるQGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

格子 QCD シミュレーションによるQGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

前沢祐 前沢祐 (( 理研理研 ))

in collaboration within collaboration with

青木慎也青木慎也 , , 金谷和至金谷和至 , , 大野浩史大野浩史 (( 筑波大物理筑波大物理 ))浮田尚哉 浮田尚哉 (( 筑波大計算セ筑波大計算セ ))

初田哲男初田哲男 ,, 石井理修 石井理修 (( 東京大学東京大学 ))江尻信司 江尻信司 (BNL)(BNL)

梅田貴士 梅田貴士 (( 広島大学広島大学 ))

WHOT-QCD CollaborationWHOT-QCD Collaboration

原子核・ハドロン物理 @ KEK, 2009 年 8 月 11—13 日

WHOT-QCD Coll. arXive:0907.4203WHOT-QCD Coll. PoS LAT2007 (2007) 207

WHOT-QCD Coll. Phys. Rev. D75 (2007) 074501

Page 2: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

2

IntroductionIntroductionStudy of Quark-Gluon Plasma (QGP)

• Early universe after Big Bang• Relativistic heavy-ion collision

Theoretical study based on first principle (QCD) Lattice QCD simulation at finite (T, q)

Bulk properties of QGP (p, , Tc,…) Internal properties of QGP

are well investigated. are still uncertain.

Big Bang

RHICT

q

QGP

nucleusCSC

s-QGP

Big Bang

RHICT

q

QGP

nucleusCSC

s-QGP

/T 4

T / Tpc

CP-PACS 2001 (Nf = 2, Tc ~ 170 MeV)

/T 4

T / Tpc

CP-PACS 2001 (Nf = 2, Tc ~ 170 MeV)

qq qqqq

Properties of quarks and gluons in QGP Heavy-quark potential: free energy btw. static charged quarks in QGP

1. Relation of inter-quark interaction between zero and finite T2. Temperature dependence of various color-channels3. Heavy-quark potential at finite density (q) in Taylor expansion method

Page 3: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

33

Heavy-quark potential at finite THeavy-quark potential at finite THeavy-quark potential interaction btw. static quark (Q) and antiquark (Q) in QCD matter

T = 0,

T > 0, string tension () decreases,

string breaking at rc

At T > Tc, screening effect in QGP

rr

rV )(

rTmDer

TTrV )(eff )(

),(

CTT CTT

CTT CTT

Lattice QCD simulations

Properties of heavy-quark potential in quark-gluon plasma

• Heavy-quark bound state (J/, Υ) in QGP

• Screening effect in QGP

• Inter-quark interaction btw. QQ and QQ

Page 4: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

44

)y()x(Trln),(1 †TTrF

Heavy-quark potential Brown and Weisberger (1979)

Wilson-loop operator

Heavy-quark free energyHeavy-quark free energy

r

r

WrV

);y,x(lnlim)( 1

Heavy-quark free energy Nadkarni (1986)x

r

);y,x( W

Correlation b/w Polyakov-lines projected to a color singlet channel in the Coulomb gauge

Heavy-quark free energy may behave in QGP as:

Polyakov-line : static quark at x

tN

U1

4 ),x()x(

T = 0

T > 0

To characterize an interaction b/w static quarks,

r0

)x(† )y(T/1

x

Operator similar to the Wilson-loop

at finite T

short r: F 1(r,T ) ~ V(r) (no effect from thermal medium)

mid r : screened by plasma long r : two single-quark free energies w/o interactions

CTT CTT

CTT CTT

Page 5: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

5

Fixed Nt approach

Fixed scale approach WHOT-QCD, PRD 79 (2009) 051501.

Approaches of lattice simulations at finite TApproaches of lattice simulations at finite TTo vary temperature on the lattice,

• Changing a (controlled by the gauge coupling ( = 6/g2)), fixing Nt

• Changing Nt , fixing a

Advantages: T can be varied arbitrarily, because is an input parameter.

Advantages: investigation of T dependence w/o changing spatial volume possible.

renormalization factor dose not change when T changes.

tNaT 1 a: lattice spacing

Nt: lattice size in E-time direction

tN

ax

T/1

T

T/1

Tx

Page 6: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

66

Results of numerical simulations

1. Heavy-quark potential at T = 0 and T > 0

2. Heavy-quark potential for various color-channels

3. Heavy-quark potential at finite density (q)

Page 7: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

77

Simulation details

Nf = 2+1 full QCD simulations

Lattice size: Ns3 x Nt = 323 x 12, 10, 8, 6, 4

Temperature: T ~ 200-700 MeV (5 points)

Lattice spacing: a = 0.07 fm

Light quark mass*: m/m = 0.6337(38)

Strange quark mass*: m/m = 0.7377(28)

Scale setting: Sommer scale, r0 = 0.5 fm

*CP-PACS & JLQCD Coll., PRD78 (2008) 011502.

Page 8: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

88

Heavy-quark potential at T = 0

00)( Vr

rrV

Data calculated by

CP-PACS & JLQCD Coll.on a 283 x 58 lattice

Phenomenological potential

)(rV

[fm] r

GeV .

GeV .

.

232

4340

4410

0

0

V

Our fit results

= Coulomb term at short r + Linear term at long r + const. term

Page 9: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

9

),(1 TrF )(rV

[fm] r

Heavy-quark free energy at T > 0

At short distance

F 1(r,T ) at any T

converges to

V(r) = F 1(r,T=0 ).

Short distance physics is

insensitive to T.

Note:

In the fixed Nt approach, this property is used to adjust the constant term of F 1(r,T ).

In our fixed scale approach, because the renormalization is common to all T. no further adjustment of the constant term is necessary.

We can confirm the expected insensitivity!

Page 10: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

10

),(1 TrF )(rV

[fm] r

Heavy-quark free energy at T > 0

At short distance

F 1(r,T ) at any T

converges to

V(r) = F 1(r,T=0 ).

Short distance physics is

insensitive to T.

T ~ 200 MeV: F 1 ~ V up to 0.3--0.4 fm

T ~ 700 MeV: F 1 = V even at 0.1 fm

Range of thermal effect is T-dependent

Debye screening effect

WHOT-QCD Coll. arXive:0907.4203WHOT-QCD Coll. Phys. Rev. D75 (2007) 074501

Page 11: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

11

),(1 TrF )(rV

[fm] r

Heavy-quark free energy at T > 0

Long distanceF

1(r,T ) becomes flat and has no increase linealy.

Confinement is destroyed due to a thermal medium effect.

Qr FTTTrF 2Trln)y()x(Trln),(

21 †

At large r, correlation b/w Polyakov-lines will disappear,

F 1 converges to 2x(single-quark free energy) at long distance

2FQ calculated from

Polyakov-line operator

Page 12: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

1212

Results of numerical simulations

1. Heavy-quark potential at T = 0 and T > 0

2. Heavy-quark potential for various color-channels

3. Heavy-quark potential at finite density q

Page 13: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

Heavy-quark potential for various color-channels

qq qqqqSeparation to each color channel

Projection of Polyakov-line correlators Nadkarni (1986)

Normalized free energy

Interaction for various color-channels are induced in QGP

CCC*C 8133

C*CCC 6333

• QQ correlator:

• QQ correlator:

0),(2),(),( r

MQ

MM TrVFTrFTrV

6 ,3 ,8 ,1 C*CCCM

Page 14: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

Heavy-quark potential for various color-channels

C1

C8

*C3

C6

Temperature increases becomes weak

1c, 3*c: attractive force, 8c, 6c: repulsive force

Single gluon exchange ansatz

Consistent with Casimir scaling e.g.)

),( TrV M

)x(† )y(

4A 4A

effg effg

at at

)()( yxtr †

mD

)x(† )y()x(† )y(

4A 4A

effg effg

at at

)()( yxtr †

mDrTmM

Der

TCTrV )(eff )(

),(

3

1,

3

2,

6

1,

3

46*381 CCCC

M

a

a

aM ttC 2

8

1 1

Casimir factor

*CC 31 2~ VV

QQ potential QQ potential

Page 15: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

1515

Results of numerical simulations

1. Heavy-quark potential at T = 0 and T > 0

2. Heavy-quark potential for various color-channels

3. Heavy-quark potential at finite density (q)

Page 16: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

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Heavy-quark potential at finite qBig Bang

RHICT

q

QGP

nucleusCSC

s-QGP

Big Bang

RHICT

q

QGP

nucleusCSC

s-QGP

Motivation

Taylor expansion method in terms of q /T

Properties of QGP at 0 < q /T << 1

Expectation values at finite q

At q /T << 1, Taylor expansion of quark determinant detD(q)

where

• Early universe after Big Bang• Relativistic heavy-ion collisions

Low density

e.g. q /Tc ~ 0.1 at RHIC

c.f.) sign problem

detD becomes complex when q≠0

aq Re

Page 17: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

17

Heavy-quark potential at finite q

Heavy-quark potential up to 2nd order

with expansion coefficients:

QQ potential (1c, 8c) QQ potential (3*c, 6c)

Odd term of QQ potential vanishes because of symmetry under q→ -q

Page 18: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

18

QQ potentialMeV 186~,80.0/,416,2 pc

3 TmmN f

1c channel: attractive force

8c channel: repulsive forcebecomes weak

at 0 < q /T << 1

Page 19: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

QQ potential

3*c channel: attractive force

6c channel: repulsive force

becomes strong

at 0 < q /T << 1

Page 20: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

20

Heavy-quark potential at finite q

QQ potential (1c, 8c)

QQ potential (3*c, 6c)

Attractive channel in heavy-quark potential

Heavy-meson correlation (1c) weak

at 0 < q /T << 1

Diquark correlation (3*c) strong

Page 21: 格子 QCD シミュレーションによる QGP 媒質中のクォーク間ポテンシャルの研究

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1. Heavy-quark potential at T = 0 and T > 0

2. Heavy-quark potential for various color-channels

3. Heavy-quark potential at finite density (q)

SummaryProperties of quark-gluon plasma

Heavy-quark potential (F 1(r,T )) defined

by free energy btw. static charged quarks

At short r: F 1 at any T converges to heavy-quark potential at T = 0

Short distance physics is insensitive to T. At mid r : screening effect appears At long r: F

1 becomes flat and has no linear behavior.

Correlation b/w Polyakov-lines disappears and F 1 converges to 2FQ

),(1 TrF )(rV

[fm] r

rTmM

Der

TCTrV )(eff )(

),(

3

1,

3

2,

6

1,

3

46*381 CCCC

1c, 3*c: attractive force, 8c, 6c: repulsive force

Consistent with Casimir scaling based on single gluon exchange ansatz

Taylor expansion in terms of q /T

Heavy-meson correlation (1c) weak Diquark correlation (3*c) strong

at 0 < q /T << 1