mgr Michał Marczenko

Promotor: dr hab. Chihiro Sasaki

Effective-Model Perspective on QCD Phenomenology

I recenzent: Prof. dr hab. Stanisław Mrówczyński,

II recenzent: Prof dr hab. M.A. Nowak

Mimo, że teoria opisująca oddziaływania silne, chromodynamika kwantowa (QCD), jest dobrze ugruntowana teoretycznie, istnieje wiele technicznych przeszkód, stanowiących poważne utrudnienie w jej analizie oraz dalszym rozwoju. Istnieje więc potrzeba konstrukcji modeli efektywnych w ujęciu fenomenologicznym, wywodzących się z teorii podstawowej i zawierających jej istotne cechy. Tematem niniejszej rozprawy doktorskiej jest zbadanie właściwości termodynamicznych QCD w ramach różnych modeli efektywnych. Pierwsza część pracy dotyczy wyników QCD na sieci (LQCD) w skończonych temperaturach i zerowej gęstości barionowej, które wykazały rozbieżności między powszechnie stosowanym modelem gazu hadronowego (HRG), ujawniające się na poziomie fluktuacji ładunków zachowanych, w szczególności w sektorze dziwnym. W celu skwantyfikowania tych rozbieżności, model HRG został rozszerzony o ciągłe widmo Hagedorna, którego parametry wyznaczono na podstawie wielkości termodynamicznych LQCD. Otrzymane spektra są zgodne z trendem wyznaczonym przez uwzględnienie niepotwierdzonych barionów dziwnych, wymienionych w bazie Particle Data Group (PDG). To sugeruje, że większość brakującego oddziaływania dla barionów dziwnych znajduje się w sektorze |S|=1. Z kolei widmo uzyskane dla mezonów dziwnych może wskazywać na istnienie nieodkrytych stanów w obszarze średnich mas, niewymienionych jeszcze w bazie PDG. W celu poprawy opisu właściwości oddziałujących hadronów, niezbędne jest wyjście poza uproszczone ujęcie HRG, uwzględniając między innymi efekty rozpadu oraz skończonej szerokości rezonansów. W dalszej części pracy badamy wpływ szerokości rezonansów w ramach modelu macierzy rozpraszania. Model ten, w odróżnieniu od modelu HRG, względnia dynamikę powstawania rezonansów zakodowaną w fizycznym przejściu fazowym. Pozwala to oszacować wpływ rozpraszania K\pi, tj. rezonansów K^*_0(800) i K^*_0(1430), na fluktuacje wypadkowej liczby dziwności. Wyniki wskazują, że uproszczony model oddziaływań HRG systematycznie zawyża wielkości termodynamiczne, a ich wkład oszacowany przy użyciu modelu macierzy rozpraszania rozwiązuje tylko częściowo problem brakującego wkładu do fluktuacji wypadkowej liczby dziwności. Kolejnym omówionym aspektem jest użycie modelu macierzy rozpraszania w modelu blast-wave w celu opisania emisji cząstek w zderzeniach ciężkich jonów. Zbadany został wpływ skończonej szerokości mezonu ρ na rozkład pędu pionów oraz modyfikację widm cząstek powstałych z dwuciałowych rozpadów. W szczególności rozkład niskich pędów poprzecznych pionów powstałych w rozpadzie mezonu ρ jest wyższy o tego otrzymanego w przybliżeniu HRG. Użycie modelu macierzy rozpraszania poprawia opis ilościowy widm pionów w zderzeniach ciężkich jonów w zakresie energii Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN. Porównujemy również model macierzy rozpraszania z przybliżeniem wykluczonej objętości do opisu sił odpychających między oddziałującymi hadronami. Koncentrujemy się na termodynamice systemu πNΔ. Pokazujemy w jaki sposób zwykle stosowany model z wykluczoną objętością prowadzi do przypadkowej zgodności wielkościach termodynamicznych całego układu. Zgodność ta zostaje utracona przy ograniczeniu do konkretnego kanału rozpraszania, gdzie dodatkowa wykluczona objętość między pionami i nukleonami, oprócz siły odpowiedzialnej za formację rezonansu Δ prowadzi do niezgodności z analizą na podstawie fizycznego przejścia fazowego w oparciu o model macierzy rozpraszania. Sugeruje to, że siły odpychające między hadronami nie mogą być opisane pojedynczym parametrem a także są zależne od kanału oddziaływania. Druga część pracy dotyczny efektywnego opisu zimnej oraz gęstej materii oddziałującej silnie. W tym celu wykorzystany jest hybrydowy model kwarkowo-mezonowo-nukleonowy (QMN). Dynamika chiralna opisana jest w nim w ramach liniowego modelu sigma, podczas gdy uwięzienie kwarków otrzymane jest przy pomocy zależnej od ośrodka modyfikacji funkcji rozkładu Fermiego-Diraca, gdzie wprowadza się dodatkowe pole skalarne. Charakterystyczną cechą modelu jest fakt, że przy rosnącej gęstości, symetria chiralna zostaje przywrócana jeszcze w fazie hadronowej, przed spontanicznym uwolnieniem kwarków. W pracy rozważona jest termodynamika układów dwuzapachowych w przybliżeniu pola średniego. Dla niskich temperatur oraz wysokich gęstości model przewiduje chiralne przejście fazowe pierwszego lub drugiego rzędu, lub gładkie przejście typu crossover, w zależności od wartości oczekiwanej pola skalarnego. Spontaniczne uwolnienie kwarków jest natomiast przejściem pierwszego rzędu. Badamy również równanie stanu w modelu QMN w warunkach gwiazdy neutronowej. W tym celu model jest uogólniony do przypadku dowolnej asymetrii izospinowej. Wyznaczone są zależności między masą a promieniem gwiazdy, poprzez narzucenie warunków zgodności z niedawno odkrytym pulsarem PSR~J0348+0432, a także ograniczeniami na zwartość gwiazdy z pomiaru GW170817. Uwzględniony jest również próg dla bezpośredniego procesu URCA, dla którego wyprowadzone jest nowe oszacowanie. Biorąc pod uwagę ograniczenia, model przewiduje, że na diagramie fazowym materii symetrycznej, punkt krytyczny przejścia chiralnego znajduje się w obszarze niskich temperatur lub znika całkowicie. Na koniec omówniona jest charakterystyka fluktuacji liczby barionowej na granicach faz chiralnego przejścia fazowego oraz spontnicznego uwolnienia kwarków w hybrydowym modelu QMN. Badany jest wpływ uwięzienia kwarków na kumulanty wyższych rzędów fluktuacji liczby barionowej. Otrzymane kumulanty wykazują znaczne wzmocnienie wokół chiralnego przejścia fazowego, podczas gdy nie są wrażliwe na hadronowo-kwarkowe przejście fazowe.
streszczenie , recenzja - prof. dr hab. S. Mrówczyński , recenzja - prof. dr hab. M.A. Nowak