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有限温度格子QCD 入門 中村純(なかむらあつし) 広島大学・情報メディア教育研究センター [email protected]. ゼロからの格子QCD入門 -- 有限バリオン密度系の研究を目指して -- 素核宇宙融合 レクチャーシリーズ」第9回 13626日水曜日

有限温度、有限密度QCD 研究のための格子QCD 入門 - KEK有限温度格子QCD 入門 中村純(なかむらあつし) 広島大学・情報メディア教育研究センター

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Page 1: 有限温度、有限密度QCD 研究のための格子QCD 入門 - KEK有限温度格子QCD 入門 中村純(なかむらあつし) 広島大学・情報メディア教育研究センター

有限温度格子QCD 入門

中村純(なかむらあつし)広島大学・情報メディア教育研究センター

[email protected].

ゼロからの格子QCD入門 -- 有限バリオン密度系の研究を目指して --素核宇宙融合 レクチャーシリーズ」第9回

13年6月26日水曜日

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もともとは経路積分を計算していた

(N等分して、間に完全系を入れて・・・)

(ユークリッド化して)

ところがこれは分配関数を経路積分で書いたものと同じ!

但し

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Finite Temperature

anisotropic lattice

fine resolution along temperature direction

の時、Burgers, Karsch, Nakamura and Stamatescu QCD on anisotropic lattices Nucl.Phys. B204, pp587--600, 1988

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なぜ有限温度QCD?

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Confinement

More Energy

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Confinement

More Energy

13年6月26日水曜日

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Confinement

More Energy

More Energy

13年6月26日水曜日

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Confinement

More Energy

More Energy

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Confinement (2)

Deconfinement

Confinement Potential is “screened” at finite temperature.

I can see only a colorless state from outside ?

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Observation of a Phase Transition at Finite Temperature on the Lattice

1981, McLerran and Svetitsky, Kuti, Polonyi and Szlachanyi, Engels et al.

Excess Energy when a quark exists.

Excess Energy when a quark and an anti-quark exist.

Heavy Quark PotentialMcLerran and Svetitsky, PRD24,(1981)

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Z = e��F = e�F/T

F = �T log Z

�F

�X

Z =�DUe�S

Xlog Z = �

�DU �S

�X e�S

Z= � �S

�X�

格子上の熱力量の計算

8

X: 体積,化学ポテンシャル , ....

とすると

XがTの時は(格子間隔とTは独立ではないため)注意が必要

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Heavy Quark Potentialwith Dynamical Quarks

1

2

3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

F1(r

,T) [

GeV

]

r [fm]

Nf = 2 + 1V(r,T = 0)

T = 232 MeVT = 279 MeVT = 348 MeVT = 464 MeVT = 696 MeV

Prog. Theor. Phys. 128 (2012), 955-970Maezawa et al (WHOT-Collaboration)13年6月26日水曜日

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at � 0 (Continuum Limit)

Y.Aoki et al.,

hep-lat/0510084

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0 0.05 0.1

140

150

160

170

180

151(3)(3) MeV

0 0.05 0.1

175(2)(4) MeV

0 0.05 0.1

140

150

160

170

180

176(3)(4) MeV

Z. Fodor, S.D. Katz arXiv:0908.3341v1

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EoS by Lattice

12

Oh, Great Fighting !金と人の勝負だな

Hungary-Wuppertal

US-Bielefeld

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13

0

2

4

6

8

10

12

14

16

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

0.4 0.6 0.8 1 1.2

T [MeV]

!/T4

Tr0 !SB/T4

3p/T4 p4

asqtad

p4

asqtad

Bazavov et al. (HotQCD)arXiv 0903.4379

0

1

2

3

4

5

6

7

8

150 200 250 300 350 400 450 500

T [MeV]

(!-3p)/T4 HISQ,Nt=8

HISQ, Nt=6asqtad

p4Laine

s95p-v1

Bazavov and Petreczky (HotQCD)arXiv:1005.1131

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Introduction Hadron spectrum Nonvanishing temperature Summary

Tc summary of the Wuppertal-Budapest group

list of pseudocritical temperatures (various observables)

� ̄ /T 4 �l,s h ̄ iR �s2/T 2 ✏/T 4 (✏-3p)/T4

WB’10 147(2)(3) 157(3)(3) 155(3)(3) 165(5)(3) 157(4)(3) 154(4)(3)WB’09 146(2)(3) 155(2)(3) - 169(3)(3) - -WB’06 151(3)(3) - - 175(2)(4) - -

all numbers (in a given coloumn) are in complete agreementdifferent variables give different pseudocritical Tc-s: 147–165 MeVreason: the transition is a broad one with 30-40 MeV broadness

3% shift to lower values between 2006 and 2009reason: 3% experimental change in fK (no change in lattice results)

Z. Fodor Recent Progress in Lattice QCD14

Fodor, ISMD2010

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15

A brief history of the Tpc “controversy”

I MILC (2005) 169(12)(4) MeV (physical point)

I Cheng et al. (2006) 192(7)(4) MeV (physical point)

I HotQCD (2009 paper) did not quote a number for Tpc

at the physicalpoint.

I Budapest-Wuppertal (2009/10) 147(2)(3) or 165(5)(3) (physical point)

I HotQCD (Lattice 2010 Preliminary) 164(6) MeV (2010) (physical point)

C. DeTar (U Utah) Atagawa 2010 November 28, 2010 23 / 30deTar, Atagawa2010

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高エネルギー重イオン反応実験と格子QCD

RHIC

LHC

1 2 3 4 5

?

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Lattice QCD CalculationsF. Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209.

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状態方程式やPolyakov Lineはだいたい終わった

しかし、それだけではそこでのダイナミックスを本当に理解するには不十分

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Calculation of Color Dependent Objects -

In early days, we measured the “Color-Averaged” Potential, although the

color-singlet formulation was given by McLerran and Svetitsky

Now we can measure “Color-Singlet” Potential.

Color Dependent Potentials

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L(�x)�(�x, 0)

L(�x) � Ut(�x,Nt)Ut(�x,Nt � 1) · · · Ut(�x, 1)TrL(�x)

Polyakov Loop Correlations• McLerran and Svetisky, Phys.Rev.D24(1981)450• “Static” quark

:Polyakov Line

�1i

�t� taAa

0(�x, t)�

�(�x, t) = 0

�(�x, t) = T exp�

i

� t

0dt�taAa

0(�x, t�)�

�(�x, 0)

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|�� = |Gluons��a(�x, 0)†(�c)b(�x, 0)†

qq state

a,b: Color indices : anti-quark

e��Fqq̄ ��

a,b,Gluons

�Gluons|�a(�x1, 0)(�c)b(�x2, 0)

�e��H �a(�x1, 0)†(�c)b(�x2, 0)†|Gluons�

e��H=�

a,b,Gluons

�Gluons| �a(�x1,�)�a(�x1, 0)†

�(�c)b(�x2,�)(�c)b(�x2, 0)† |Gluons�13年6月26日水曜日

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Color averaged

Here we used

and similar relation for anti-quark fields.

L(�x1)aa��a�

(�x1, 0)=�

a,b,Gluons

�Gluons| e��H 0

� �

��

� � �

� �

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Color singlet qq

• 3×3* = 1+8

� �� �

=

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Color-dependent Potentials(Landau Gauge)

T.Saito and A.Nakamura.

Quench

Prog. Theor. Phys. Vol. 111 No. 5 (2004) pp. 733-743

See also Maezawa et al (WHOT-QCD Collaboration) Prog. Theor. Phys. 128 (2012), 955-970

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Deconfinement (Disappearing of the confinement potential)

• QED is a Deconfinement theory, but there are Positroniums.

• Mass and Width may change.

No Bound State

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- Hadrons at finite Temperature -

QCD-Taro Collaboration, Phys.Rev. D63 (2001) 054501,hep-lat/0008005

Confined Deconfined

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Spectral Functions at finite T

• Asakawa-Hatsuda– Phys.Rev.Lett. 92 (2004) 012001

• Umeda et al. – Nucl.Phys. A721 (2003) 922

• Datta et al. – Phys.Rev. D69 (2004) 094507

Asakawa-Hatsuda

Umeda et al.13年6月26日水曜日

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Real Time Green function vs. Temperature Green function

Hashimoto, A.N. and Stamatescu, Nucl.Phys.B400(1993)267

� � � �

� � �� �

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Temperature Green function

Matsubara-frequencies

� � � �

� �� �

� � �

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Abrikosov-Gorkov-Dzyalosinski-Fradkin Theorem

On the lattice, we measure Temperature Green functionat

We must reconstruct Advance or Retarded Green function.

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Gluon Propagator in the confinement (Quench, SU(3), Old Days Calculation)

free

Nakamura, 1995Landau Gauge

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Gluon’s screening mass

T.Saito hep-lat/0208075

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T=Tc~2Tcあたりではすごいことになっている?

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Transport Coefficients

• A Step towards Gluon Dynamical Behavior.• They can be (in principle) calculated by a well

established formula (Linear Response Theory).

• They are important to understand QGP which is realized in RHIC (and CERN-SPS)and LHC.

QCDHydro-Model

Experimental Data

13年6月26日水曜日

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Long time ago, when I was young, I was studying

Another Personal Motivation

13年6月26日水曜日

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Long time ago, when I was young, I was studyingin a Lab as a graduate student of Profs. Namiko and Ohba.

Another Personal Motivation

13年6月26日水曜日

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Long time ago, when I was young, I was studyingin a Lab as a graduate student of Profs. Namiko and Ohba. My Supervisor, Prof. Namiki, had studied Landau Hydro-dynamical Model from Field Theory point of view.

Another Personal Motivation

13年6月26日水曜日

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Long time ago, when I was young, I was studyingin a Lab as a graduate student of Profs. Namiko and Ohba. My Supervisor, Prof. Namiki, had studied Landau Hydro-dynamical Model from Field Theory point of view. It was the only place at that time in Japan, where the hydro was daily discussed.

Another Personal Motivation

13年6月26日水曜日

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Long time ago, when I was young, I was studyingin a Lab as a graduate student of Profs. Namiko and Ohba. My Supervisor, Prof. Namiki, had studied Landau Hydro-dynamical Model from Field Theory point of view. It was the only place at that time in Japan, where the hydro was daily discussed.From the Lab came Muroya, Hirano, Nonaka, Morita … who now actively study the hydro-dynamical model.

Another Personal Motivation

13年6月26日水曜日

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Yes, I will also study the hydro for supporting young friends.

QCD

Hydro-Model

Experimental Data

13年6月26日水曜日

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RHIC-data Big Surprise !

Oh, really ?Hydro-dynamical

Model describes RHIC data well !

At SPS, the Hydro describes well one-particle distributions,

HBT etc., but fails for the elliptic flow.

13年6月26日水曜日

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Hydro describes well v2

Hydrodynamical calculations are based on Ideal Fluid, i.e., zero shear viscosity.

13年6月26日水曜日

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Or not so surprise …

• E. Fermi, Prog. Theor. Phys. 5 (1950) 570– Statistical Model

• S.Z.Belen’skji and L.D.Landau,Nuovo.Cimento Suppl. 3 (1956) 15– Criticism of Fermi Model

“Owing to high density of the particles and to strong interaction between them, one cannot really speak of their number.”

Hagedorn, Suppl. Nuovo Cim. 3 (1956) 147. Limiting Temperature

13年6月26日水曜日

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Teaney, Phys.Rev. C68 (2003) 034913 (nucl-th/0301099)

13年6月26日水曜日

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Another Big Surprise !• The Hydrodynamical

model assumes zero viscosity, i.e., Perfect Fluid.

• Phenomenological Analyses suggest also small viscosity.

Oh, really ?

13年6月26日水曜日

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Liquid or Gas ?

Ideal GasPerfect fluidOpposite Situation

Frequent Momentum Exchange

13年6月26日水曜日

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Literature (1)• Iso, Mori and Namiki, Prog. Theor. Phys. 22

(1959) pp.403-429– The first paper to analyze the

Hydrodyanamical Model from Field Theory.– Applicability Conditions were derived:

• Correlation Length << System Size• Relaxation time << Macroscopic

Characteristic Time• Transport Coefficients must be small

13年6月26日水曜日

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If produced matter at RHIC is (perfect) Fluid, not Free Gas

what does it mean ?

Is QGP not a free Gas ?

13年6月26日水曜日

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If produced matter at RHIC is (perfect) Fluid, not Free Gas

what does it mean ?

A new state of Matter is

Fluid.

Is QGP not a free Gas ?

13年6月26日水曜日

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Lowest Perturbation(Illustration purpose only)

Pressure

Ideal Free GasViscosity

13年6月26日水曜日

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Lowest Perturbation(Illustration purpose only)

• At weak coupling, it increases.

Pressure

Ideal Free GasViscosity

13年6月26日水曜日

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Lowest Perturbation(Illustration purpose only)

• At weak coupling, it increases.

Pressure

Ideal Free GasViscosity

Perfect Fluid

13年6月26日水曜日

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Literature (2)

• G. Baym, H. Monien, C. J. Pethick and D. G. Ravenhall,– Phys. Rev. Lett. 16 (1990) 1867.

• P. Arnold, G. D. Moore and L. G. Yaffe– JHEP 0011 (2000) 001, (hep-ph/0010177).– Leading-log results"

• P. Arnold, G. D. Moore and L. G. Yaffe– JHEP 0305 (2003) 051, (hep-ph/0302165).– Beyond leading log"

13年6月26日水曜日

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Literature (3)• Hosoya, Sakagami and Takao, Ann. Phys. 154

(1984) 228.– Transport Coefficients Formulation

• Hosoya and Kayantie, Nucl. Phys. B250 (1985) 666.

• Horsley and Shoenmaker, Phys. Rev. Lett. 57 (1986) 2894; Nucl. Phys. B280 (1987) 716.

• Karsch and Wyld, Phys. Rev. D35 (1987) 2518.– The first Lattice QCD Calculation

• Aarts and Martinez-Resco, JHEP0204 (2002)053– Criticism against the Spectrum Function Ansatz.

• Petreczky and Teaney, hep-ph/0507318– Impossible to determine Heavy Quark Transport

coefficient

13年6月26日水曜日

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Literature (4)

• Masuda, A.N.,Sakai and Shoji Nucl.Phys. B(Proc.Suppl.)42, (1995),526

• A.N., Sakai and Amemiya Nucl.Phys. B(Proc.Suppl.)53, (1997), 432

• A.N, Saito and Sakai Nucl.Phys. B(Proc.Suppl.)63, (1998), 424

• Sakai, A.N. and Saito Nucl.Phys. A638, (1998), 535c

• A.N, SakaiPhys.Rev.Lett. 94 (2005) 072305 hep-lat/0406009

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Linear Response Theory• Zubarev

“Non-Equilibrium Statistical Thermo-dynamics”

• Kubo, Toda and Saito “Statistical Mechanics”

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13年6月26日水曜日

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where

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Transport Coefficients are expressed by Quantities at Equilibrium

• One can show

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: Shear Viscosity : Bulk Viscosity

: Heat Conductivity we do not consider in Quench simulations.

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Energy Momentum Tensors

or

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Real Time Green function vs. Temperature Green function

Hashimoto, A.N. and Stamatescu, Nucl.Phys.B400(1993)267

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Temperature Green function

Matsubara-frequencies

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Abrikosov-Gorkov-Dzyalosinski-Fradkin Theorem

On the lattice, we measure Temperature Green functionat

We must reconstruct Advance or Retarded Green function.

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Transport Coefficients of QGP

Convert them (Matsubara Green Functions) to Retarded ones (real time).

We measure Correlations of Energy-Momentum tensors

Transport Coefficients (Shear Viscosity, Bulk Viscosity and Heat Conductivity)

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Ansatz for the Spectral Functions

We measure Matsubara Green Function on Lattice (in coordinate space).

We assume (Karsch-Wyld)

and determine three parameters, A, m, γ.

We need large Nt !13年6月26日水曜日

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Some Special Features of Lattice QCD at Finite Temperature

High Temperature : small13年6月26日水曜日

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Nt=8

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Results: Shear and Bulk Viscosities

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Comparison with Pertubative Calculations

Good for T/Tc>513年6月26日水曜日

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Kovtun, Son and Starinets, hep-th/0405231

for N=4 supersymmetric Yang-Mills theory in the large N.Policastro, Son and Starinets, Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 081601

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can have the lower limit ?• Counter Example by Prof.

Baym– We heat up Billiard Balls

which have inter-structure. Then Entropy increases. If the surface of the balls does not change, the Viscosity should be the same.

• We may give Counter-Argument ?

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