3.夸克物质物理课题组
夸克物质物理课题组（王新年、王恩科、侯德富、张本威、张汉中、金猛、肖博文、秦广友、丁亨通、计晨、Toru Koju、庞龙刚）。
2020年，夸克物理理论组共发表论文43篇。其中：《物理评论快报》3篇,《物理快报B》7篇，《物理评论C》2篇，《物理评论D》12篇，《欧洲物理杂志C》5篇。
下面简述2020年夸克物质物理课题组主要研究进展：
（1）部分子在热密核物质中的横动量展宽和能量损失由喷注输运参数 
的时空分布描述。在垂直于部分子运动方向的空间梯度会导致部分子在横向动量方向产生漂移和不对称性。该不对称性既依赖于横向坐标也依赖于部分子的传播路径，这可以通过数值求解简化的漂移-扩散玻尔兹曼输运方程得到。在高能重离子碰撞中，我们在线性玻尔兹曼输运模型逐事例的模拟中发现，该对称性和喷注初始产生的横向坐标紧密相关。因此，这种梯度层析的方法可用来定位喷注的初始产生位置。论文发表在：Phys.Rev.Lett. 125 (2020) no.12, 122301。
（2）利用线性玻尔兹曼输运和流体动力学耦合模型（CoLBT-hydro模型），我们研究了LHC重离子碰撞中触发喷注碎裂函数的介质修正。我们不仅描述了由于部分子能量损失所造成的喷注圆锥中大横动量分数（相对于触发粒子横动量）区域内领头强子产额的压低，还描述了由于喷注诱导的介质激发所导致的小横动量强子产额的增强。由于触发偏差以及夸克/㬵子喷注相对比例的介质修正，碎裂函数在大横动量分数（相对于喷注横动量）区域内没有压低。对于末态横动量接近或者大于触发光子横动量的喷注，触发偏差还导致大范围内喷注碎裂函数的增强。论文发表在：Phys.Lett. B810 (2020) 135783。
（3）利用JETSCAPE框架计算并比较了实验测量的质子-质子碰撞中与喷注相关的观测量，如：单举喷注截面，喷注形状函数，碎裂函数，带电强子截面，双喷注质量截面等。这些观测量在质子-质子碰撞中的行为是研究相对论重离子碰撞非常重要的参照。JETSCAPE-PP19版本能够较好地描述较大碰撞能量范围的许多喷注观测量，显示JETSCAPE框架的物理能力，为其用户提供了基准。论文发表在：Phys.Rev. C102 (2020) no.5, 054906。
（4）我们使用深度卷积神经网络，从重离子碰撞仿真产生的末态介子谱识别QCD的相变性质。仿真模型使用相对论流体力学模拟QGP的时空演化，使用分子动力学模型模拟强子输运。在流体力学演化中使用了两种不同的状态方程，得到介子的横动量和方位角分布。我们测试了调整输入数据时，训练出的深度神经网络对状态方程的分类精度。使用逐事件、粗粒度和事件平均作为网络输入时，观察到预测精度分别为80%、90%和99%。本研究发现，即便考虑了QGP体冷却后的强子级联散射，神经网络仍能识别QCD的相变性质。论文发表在：Eur.Phys.J.C 80 (2020) 6, 516。
（5）使用相空间中的自旋密度矩阵，我们提出了描述矢量介子自旋排列以及重子自旋极化的改进型夸克组合模型。该模型让我们对静态极限下的矢量介子的自旋排列有了新的理解：介子明显大于1/3，可能是由于矢量场的类电场部分导致；而介子明显小于1/3，则可能是由于涡旋场的类电场部分导致。涡旋场对的负值贡献，对于介子相对不重要，但对K介子的贡献被一定程度地放大。论文发表在：Phys.Rev. D102 (2020) no.5, 056013。
（6）最近，重离子碰撞中与超子的整体极化被STAR 实验组在RHIC实验上观测到，证实了十多年前的理论预测，表明重离子碰撞中产生的QGP有高达10^{21} s^{-1}的涡旋，强于自然界中观测到的任何其他流体。这为研究QGP性质提供了新的窗口，是重离子碰撞物理领域的新的研究方向。论文发表在：Nucl.Phys.News 30 (2020) no.2,10-16。
（7）利用重味夸克Langevin输运、流体力学和碎裂-组合强子化模型，我们研究了重味强子和衰变产生的轻子的核修正对纵向快度的依赖，研究发现，从中心快度区到向前快度区，有重味夸克横动量谱变软和QGP尺寸变小两个因素会相互作用。论文发表在：Phys.Rev. C101 (2020) no.6, 064907。
（8）结合线性玻尔兹曼输运模型和流体力学，我们细致研究了重离子碰撞中轻味和重味喷注的能量损失和核修正。在次领头阶微扰QCD框架下，自洽地包含夸克和胶子对轻味和重味强子产额的贡献。我们能同时描述LHC上大横动量强子、D、B介子以及B衰变的D介子的核修正因子，自然地解决了存在已久的“喷注淬火味道排序之谜”，是近年来喷注淬火研究的一个重要成果。模型预言，在横动量大于30-40GeV时，B、D介子的核修正因子与带电强子类似。研究成果发表在：Phys.Lett. B805 (2020) 135424。
（9）我们发展了一套先进的部分子组合模型来研究重离子碰撞中粲强子的产生。利用新的碎裂-组合模型并结合重味夸克Langevin输运和QGP流体力学演化模型，我们能描述RHIC和LHC重离子实验中观测的比值。发现QGP的径向流对描述比值的升高有重要贡献。此外，LHC重离子实验中观测到比值较RHIC小是由于QGP的径向流和粲夸克动量谱两者相互作用的结果。论文发表在：Phys.Lett. B807 (2020) 135561。
（10）结合（2+1）维流体力学和线性玻尔兹曼喷注输运模型，我们发展了一套流体-组合-碎裂的强子化模型，首次定量研究了LHC质子-铅核碰撞高多重数事例中部分子自由度对中间横动量强子的产生和集体流的贡献。研究发现，从流体力学产生的软部分子和从喷注碎裂产生的硬部分子的组合贡献，对描述pion介子，K介子和质子在横动量为0-6GeV范围内的椭圆流v2数据非常重要，特别是实验上观测到的v2近似的组分夸克标度行为。这些结果表明，LHC高多重数质子-铅核碰撞中很可能产生了小的夸克胶子等离子体。我们的研究结果发表在：Phys.Rev.Lett. 125 (2020) no.7, 072301。
（11）结合重味夸克Langevin输运、流体力学和碎裂-组合强子化模型，我们细致研究了重离子碰撞中初始重味夸克谱、重味夸克在QGP中的能量损失、强子化机制、初始预平衡阶段的演化、重味夸克输运系数对QGP温度和流速的依赖等因素对重味强子的核修正及椭圆流的影响。我们发现，部分子碰撞-辐射能量损失以及碎裂-组合强子化机制是描述重味强子核修正和椭圆流两个最重要的因素。论文发表在：Chin.Phys. C44 (2020) no.11, 114101。
（12）利用我们的喷注-流体相结合模型，研究了2.76ATeV和5.02ATeV铅核-铅核碰撞中整体单喷注和光子-喷注内部结构的核修正。我们的喷注演化模型包含了弹性能量损失、横动量展宽和介质引起的劈裂过程。重离子碰撞产生的高密QGP物质以及喷注损失到QGP内的能动量的演化由带源的相对论流体力学方程描述。我们的数值研究结果显示，喷注损失到介质内部的能动量的热化和流体演化能进一步增大喷注形状函数在大角度处的增强现象，对定量解释喷注修正函数对喷注锥角的依赖至关重要。此外，我们发现,喷注形状函数的核修正对喷注能量有较强的依赖性，而对喷注的味道依赖性较弱。这个结果能很自然地解释CMS合作组观测到的单喷注和光子-喷注形状函数核修正的不同。我们的结论可以通过测量更大能量范围的喷注的核修正来验证。研究结果发表在：Phys.Lett. B801 (2020) 135181。
（13）利用色玻璃凝聚框架和稀薄-稠密因子化，我们系统研究了LHC质子与重核碰撞中重味强子和参考轻强子之间的角关联，抽取了重味强子的椭圆流v2。我们能很好地描述最新测量的J/Psi和D0介子的椭圆流v2数据，并预言了Upsilon和B介子的椭圆流，我们的研究对进一步了解小系统中集体流的来源有重要参考价值。论文发表在：Phys.Rev. D102 (2020) no.3, 034010。
（14）对于许多非平衡系统如相对论重离子碰撞中的预平衡阶段的研究，需要高精度求解有完整碰撞项的相对论玻尔兹曼方程。我们发展了一套数值框架来精确求解相对论玻尔兹曼方程，计算了纯胶子系统以及夸克胶子混合系统中部分子分布函数在坐标和动量空间的演化。计算包含了3个味道正反夸克和胶子间所有的2->2散射过程。通过对称化取样方法来保证粒子数守恒，我们能够高效地计算夸克胶子系统达到平衡的过程。研究结果显示，胶子在早期会自然的汇聚到软区域，这可能暗示胶子凝聚现象。研究结果发表在：Phys.Rev. D102 (2020) no.3, 034010。
（15）利用带有硬因子高阶修正的重求和改进微扰量子色动力学方法来，我们计算了Z和希格斯玻色子标记喷注的动量比值分布，很好地描述5.02TeV质子质子碰撞的实验数据。结合BDMPS量损失机制和（2+1）维流体力学模型来模拟等离子体介质的效应，我们对比Z+喷注在核核碰撞的实验数据，提取喷注输运参数为4-8GeV^2/fm。利用同样的方法来计算希格斯+喷注的动量比值分布，发现其与Z+喷注的分布相比，有更强的Sudakov效应。论文发表在：Eur.Phys.J. C80 (2020) no.12, 1136。
（16）我们在国际上首次计算了喷注淬火效应对喷注事件在空间几何性质(喷注事件的球度分布)的影响。我们以包含精到次领头阶的散射矩阵元和部分子部分子簇射的事件发生器POWHEG+PYTHIA来模拟pp碰撞，用FASTJET来重建事件中的整体喷注用以计算喷注事件的球度，在PbPb碰撞中,我们用线性玻尔兹曼输运模型来模拟部分子在QGP中的演化。我们发现, 经过喷注淬火之后, 喷注事件的球度分布在取值较小的区域出现抬升, 在取值较大的区域出现压低，表明PbPb碰撞事件总体变得更加pencile-like。另外，我们细致研究了喷注淬火效应对两喷注和多喷注事件的球度的影响。论文发表在：Eur. Phys. J. C80 (2020) no.9, 865。
（17）我们基于硬热圈微扰理论（HTLpt）框架,计算了N=4超对称Yang-Mills理论下的两圈重求和的热力学量，并与HTL重求和以及Pade近似的结果比较。此工作主要目的是提高热力学势能在弱耦合情况下的收敛性。我们主要利用HTLpt计算一圈和两圈的自由能，再将结果通过真空能量， 胶子质量counter 项，标量场质量以及夸克质量counter 项进行重整化。接下来，我们会推广到更高圈圈图的计算中。论文发表在：JHEP 09 (2020) 038。
（18）我们研究了在2.76TeV铅铅碰撞中单举喷注和Z玻色子标记喷注的girth的核修正。我们的结果表明，girth分布的核修正在小girth区域更强，在大girth区域更弱。相比于pp碰撞，铅铅碰撞中单举喷注的girth分布会向小girth区域发生偏移。另外，我们预测了2.76TeV铅铅碰撞时Z玻色子标记喷注的girth分布，证实了其没有单举喷注介质修正对girth分布的影响明显。论文发表在：arXiv: 2005.01093, Chin.Phys.C 45 (2021) 2, 024102。
（19）基于电动力学中著名的等效光子近似，我们计算了高能重离子的光子分布函数，并发现这些光子是线性极化的。我们通过理论计算，由此预言高能重离子碰撞中的轻子对在非对心碰撞中会由于初态效应而产生较大的各向异性。这一结果有望在不久的将来在大型强子对撞机上得到实验组的检验。相关结果发表在Phys. Rev. Lett.125,232301 (2020) 。
（20）计算中子星的状态方程，不仅需要计算物质的贡献，还需要计算零点能的变化（如狄拉克海的贡献）。通常，零点能变化的计算异常困难，因为当自由度变化时，会有全局的紫外发散。我们采用2PI框架来处理这些发散，得到从基本粒子和复合粒子的贡献相互抵消，只剩下有限的能量变化。这个框架对计算高密度QCD在夸克-强子区的状态方程非常重要。相关研究结果发表在：Phys.Rev.D 101 (2020) 3, 036001。
（21）我们提出了硬和软的退禁闭的区别。硬退禁闭与重子的重叠紧密联系，它的状态方程可以很好地用质子中的压强和能量密度来做近似，通过研究质子的引力形状因子可以抽取出来。软退禁闭与重子-重子相互作用中的夸克交换紧密联系。我们分析了夸克交换过程中夸克波函数的变化，研究了夸克费米海的形成。相关研究结果发表在：Phys.Rev.D 102 (2020) 9, 096017。
（22）与合作者利用格点量子色动力学计算得到了8阶的泰勒展开系数，由此得到了重子数3、4、5、6阶累积矩比率(cumulant ratio)的结果,并与STAR/RHIC合作组最新、最高统计量的束流能量为54.4 GeV的关于3、4、6阶累计量比率初步数据进行了比较，发现3 、4阶格点计算与实验符合，但在6阶时实验和格点计算的不同，而且符号相反。这可能暗示着新的、超出平衡态的物理。结果发表在Phys. Rev. D 101(2020) 04502。
（23）早期的在利用标准交错费米子、大夸克质量的格点研究中人们发现了磁催化，而在利用改进的交错费米子、物理夸克质量的格点研究中人们发现了反磁催化。我们采用了标准的交错费米子、在夸克质量很小的情况下开展格点QCD研究，仅仅观察到了磁催化效应，这表明早期格点研究中并没有观察到反磁催化效应与夸克质量太大不太相关，而与格点的离散效应更相关。我们同时发现相变的强度随着磁场的增强总是增强，并观察到了一阶相变。结果发表在Phys.Rev.D102(2020)054505。
（24）在无pi介子有效场理论的框架下，我们通过计算氘核的纵向电磁极化响应函数，获得核极化效应对缪氘原子兰姆位移谱的贡献。在这一工作中，我们通过有效场理论中核力的系统化展开，展示了响应函数理论预测的逐阶收敛性，并预测了包括相对论效应的高阶修正对理论精度的影响。无pi介子有效场理论下计算结果与基于手征有效核力的计算结果有很高的一致性，为实验上从缪氘原子光谱测量中提取高精度的氘核电荷半径提供了重要理论支持。研究成果发表在：e-Print: 2009.08347，. Phys. G 48 (2021) 035101。
（25）反常流体框架的建立及对同质异位素核碰撞中手征磁效应的信号的预言。本项目所提出的一个重要科学目标就是针对重离子碰撞中的手征磁效应计算发展基于反常流体力学框架的定量模拟工具。在项目组成员的合作努力下，这一目标顺利达成，我们成功地发展了EBE-AVFD（Event-By-Event Anomalous-Viscous Fluid Dynamics）这一最新工具，它是首个成熟的基于反常流体的逐事件模拟工具，这一工具现在被实验工作者（特别是STAR Collaboration）广泛采用来研究实验观测量的行为与敏感度以及用于发展新的观测量。基于这一工具，项目研究组对于目前领域极为关注的2018年RHIC对撞机的isobar实验进行了计算，并提出了一种恰当的同质异位素减除方案来有效地去除背景。在此基础上，我们对同质异位素碰撞中的CME的信号进行了定量预测。 发现一个新的不依赖于轴向电荷不确定的可靠可观测量，即同质异位素减除的γ-与δ-关联比值， 在事件平面的测量中被确定为-(0.41±0.27)，在反应平面的测量中被确定为-(0.90±0.45)。 我们这一重大进展获得国际国内学术界广泛认可，项目组成员本年度多次受邀在国际会议上做EBB-AVFD及相关工作的大会报告和特邀报告，特别是在Quark Matter 2019上作了Plenary Talk汇报这一新成果。 研究结果发表在：hys. Rev. Lett. 125, 242301(2020)
（26）分析了手性费米子对依赖时间和空间的手征不平衡和恒定磁场的响应。在线性响应近似下，利用有限温度下的实时方法，研究了轴矢量-矢量-矢量-三点函数。给出了非相互作用费米子的手征导电率.指出当轴化学势不均匀时，局域电荷守恒起着重要作用。需要适当的正则化，使常数轴化学势极限变得微妙：对于静态手性电荷，CME电流消失。在手征化学势各向同性(但可能随时间变化)极限中，CME电流完全由手征反常决定。作为现象学的应用，CME引起的电荷不对称的可观测性是系统各尺度之间协同作用的问题。指出了CME电流梯度修正可能引起的等离子体不稳定性。研究结果发表在：Phys.Rev.D 101 (2020) 7, 076026。
（27）我们采用了有限磁场下的朗道能级作为自由度，得到对应的手征动理论方程，能有效地处理通常手征动理论中存在的红外发散问题。我们应用此框架研究了夸克胶子等离子体在垂直磁场方向的电导率。研究结果发表在：Phys.Rev.D 101 (2020) 3, 034006。
（28）旋转的同位旋核物质的新相图。我们用两味的NJL模型，研究了旋转下同位旋物质中的介子凝聚。我们证明了旋转对位旋物质结构的两个重要影响：对标量道凝聚（尤其是pi介子凝聚）的抑制；对矢量道凝聚（rho介子凝聚）的增强。在ω-μI平面上绘制了旋转的同位旋物质的新相图，其中三个不同的相分别对应于σ，π和ρ主导的区域，低同位旋化学势时以一个二阶相变线为界高速旋转时以一个一阶相变线为界，在三相临界点处连接。研究结果发表在：Chin. Phys. C 44 (2020) 11, 111001。
（29）QCD相结构的全息研究。我们在quenched动力学全息模型里考察了手征相变和退禁闭相变并考察了在温度-重子数化学势平面的相图，通过跟格点计算的重子数扰动结果做比较固定零密时的模型参数，发现quenched动力学全息模型给出的QCD相结构跟PNJL模型的结果非常类似：
1）在零密时，手征 相变和退禁闭相变都是平滑过渡，手征相变温度比退禁闭相变温度高；
2）在密度比较高的区域，存在手征对称性恢复但是仍然禁闭的相结构（Quarkyonic）相。研究结果发表在：JHEP 03 (2020) 073。
（30）磁场下的施温格效应的全息研究。我们研究了在外磁场下的施温格效应。我们发现虚的正电子和电子产生实粒子可能性增加。通过有限磁场下的势分析和临界电场的结果，也是支持这个结论。研究结果发表在：Eur.Phys.J.C 80 (2020) 6, 550。
