Динамическое нарушение симметрий в плотной кварковой материи под влиянием внешних гравитационных полей

Описание свойств кварковой материи является важнейшей задачей квантовой хромодинамики (КХД) — фундаментальной теории сильных взаимодействий. КХД является неабелевой калибровочной теорией, основанной на цветовой группе SUC{3), в рамках которой взаимодействие между кварками осуществляется по средствам обмена глюонами. Одним из замечательных открытий, сыгравшим решающую роль в утверждении квантовой хромодинамики в качестве теории сильных взаимодействий, стало открытие явления асимптотической свободы — стремления к нулю инвариантного заряда при больших передаваемых импульсах, которое является следствием неабелевой калибровочной симметрии лагранжиана и возникающего в результате этого самодействия глюонов: их вклад в /^-функцию является отрицательным. Это приводит к тому, что при больших энергиях кварки ведут себя как почти свободные частицы, поэтому для описания их взаимодействий можно использовать теорию возмущений. Пертурбативный подход с успехом применяется в физике высоких энергий, в частности для описания процессов глубоко неупругого рассеяния. При низких энергиях эффективная константа связи становится очень большой, что делает теорию возмущений неприменимой в инфракрасной области. Эта особенность получила название «инфракрасное рабство». Предполагается, что оно может быть ответственно за явление конфайнмента или удержания цвета — того эмпирического факта, что кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии в вакууме.

Поэтому для описания физики низких энергий требуется применение существенно непертурбативных методов, например, вычислений на решетках или использование различных эффективных моделей.

В настоящее время одной* из наиболее распространенных эффективных теорий КХД является модель Намбу—Йона-Лазинио (НЙЛ) [1,2], которая является релятивистской квантовой теорией поля с точечным четырехфермионным взаимодействием. Модель Намбу-Йона-Лазинио была предложена в 1961 году для объяснения возникновения массы нуклона с помощью механизма динамического нарушения киральной симметрии1. Исторически модель возникла еще до появления представления о кварках и создания КХД, поэтому в ее изначальной версии рассматривалось взаимодействие нуклонов. Согласно идее Намбу и Йона-Лазинио массовая щель в спектре дираковской частицы возникает аналогично энергетической щели в сверхпроводнике в теории БКШ [5]. Нарушение киральной симметрии в этой модели происходит благодаря образованию в вакууме фермион-антифермионного конденсата, в результате чего фермион динамически приобретает массу. В спектре модели также появляется коллективное нуклон-антинуклонное возбуждение, отождествляемое с пионом, которое становится безмассовым в киральном пределе. Таким образом пион возникает как голдстоуновкий бозон при спонтанном нарушении киральной симметрии. В действительности, это открытие сыграло важную роль в установлении теоремы Голдстоуна.

После создания КХД модель НЙЛ была переинтерпретирована как схематическая модель для кварков [6, 7]. Согласно современным представлениям модель Намбу-Иона-Лазинио можно рассматривать как низкоэнергетическую эффективную теорию КХД, описывающую генерацию так называемых конституентных масс кварков: при образовании кварк-антикваркового конденсата (qq) происходит динамическое нарушение киральной симметрии, и кварки приобретают массу. Несмотря на то, что в модели НИЛ отсутствует конфайнмент, она может с успехом применяться во многих случаях, когда киральная симметрия КХД является более важным свойством чем конфайнмент. В конце 90-х годов модели типа НЙЛ стали активно использоваться для изучения цветовой сверхпроводимости в плотной кварковой среде, находящейся в фазе деконфайнмента.

Важным вопросом является возможность вывода НЙЛ-модели исходя из первых принципов квантовой хромодинамики. Одна из интересных идей состоит в том, что в системе с двумя ароматами кварков четырехфермион

1Следует отметить, что в том же году были опубликованы работы В. Г. Вакса и А. И. Ларкина [3] и Б. А. Арбузова, А. Н. Тавхелидзе и Р. Н. Фаустова [4], посвященные решению аналогичных проблем. ное взаимодействие может индуцироваться с помощью инстантонов [8,9].

В настоящее время НИЛ-модель широко применяется в физике элементарных частиц. Основываясь на механизме динамического нарушения киральной симметрии, в рамках этой модели удается объяснить свойства легких мезонов [10−14] и дикварков [15−17]. Модель также широко используется в ядерной физике и астрофизике (нейтронные звезды) для объяснения свойств кварковой материи [18−20]. Кроме того, четырехфермионные модели могут применяться для построения альтернативных сценариев нарушения симметрии в Стандартной модели [21,22]. Например, в модели топцвета нарушение электрослабой симметрии происходит благодаря образованию конденсата топ кварка и анти-топ кварка, который играет роль хиггсовского бозона. о

Поскольку лагранжианы НИЛ и КХД имеют одну и ту же группу сим-метрий, модель может быть использована для изучения свойств непертур-бативного вакуума КХД, в частности под влиянием различных внешних условий, таких как температура и химический потенциал (ненулевая плотность барионов) [23−27]. Роль НИЛ-модели особенно возрастает при изучении плотной кварковой среды, поскольку при ненулевом химпотенциале становится затруднительным использование численных решеточных методов КХД.

При больших значениях химпотенциала взаимодействие между кварками становится слабым в силу асимптотической свободы, и кварки переходят в состояние деконфайнмента, а киральная симметрия восстанавливается. При этом возможно образование новой нетривиальной фазы кварковой материи. Как известно, при достаточно низких температурах и при наличии даже слабого притяжения система фермионов являются нестабильной по отношению к образованию конденсата куперовских пар. При больших плотностях взаимодействие между кварками можно аппроксимировать од-ноглюонным обменом. В результате потенциал является притягивающим в антитриплетном канале и отталкивающим в сикстетном канале. Это приводит к образованию в антитриплетном канале связанного состояния двух кварков — дикваркового конденсата {qq), цветного аналога куперовских пар электронов в твердом теле. Образование дикваркового конденсата также приводит к появлению энергетической щели в спектре квазичастичных возбуждений. Данное явление аналогично обычной сверхпроводимости и поэтому получило название цветовой сверхпроводимости (ЦСП). Поскольку из двух кварков невозможно составить синглет по цвету, цветовая симметрия оказывается спонтанно нарушенной внутри ЦСП-фазы.

Свойства ЦСП-фазы обсуждались в работах [28−30] более 20 лет назад. Недавно принципиальная возможность существования ЦСП была исследована в рамках одноглюонного обмена в КХД [31−35], где предсказывалось возникновение цветовых куперовских пар при значениях химического потенциала fx, превышающих 108 МэВ [36]. Однако, подобные столь высокие плотности барионов не существуют в природе и не могут быть достигнуты на эксперименте (типичное значение плотности внутри нейтронных звезд или в будущих экспериментах по ион-ионным столкновениям составляет величину порядка /i ~ 500 МэВ). Возможность образования ЦСП в области промежуточных плотностей барионов рассматривалась в работах [37−42], а также в обзоре [43,44]. В этих работах на основе различных низкоэнергетических приближений КХД, таких как модель Намбу-Йона-Лазинио, инстантонная модель и д.р., было показано, что образование ди-кваркового конденсата возможно при существенно меньших значениях хим-потенциала fi ~ 400 МэВ. Это открывает принципиальную возможность обнаружения цветовой сверхпроводимости в будущих экспериментах про столкновению тяжелых ионов. В рамках модели НИЛ возникновение цветовой сверхпроводимости обычно рассматривается как динамическая конкуренция между образованием дикваркового конденсата (qq) и обычного кварк-антикваркового конденсата (qq).

Модель НЙЛ также позволяет изучать влияние внешних магнитных полей на нарушение симметрий [45−53]. В частности в рамках модели НЙЛ было обнаружено, что наличие внешнего магнитного поля индуцирует спонтанное нарушение киральной симметрии даже при сколь угодно, малом взаимодействии между фермионами [54−57]. Этот эффект получил название магнитного катализа и находит приложения в самых разных об

1, ластях физики [58,59]. В дальнейшем в целом ряде работ этот эффект был обобщен на случай внешних хромомагнитных полей, которые также приводят к образованию масс кварков и катализируют нарушение киральной симметрии [60−69]. Влияние хромомагнитного поля на катализ цветовой сверхпроводимости было рассмотрено в работах [70−72]. Как было показано, физической причиной катализа является эффективное сокращение размерности пространства в сильном (хромо-)магнитном поле [65−67,69,70].

В то же время для различных космологических и астрофизических приложений большой интерес представляет исследование влияния кривизны пространства-времени на динамическое нарушение и восстановление симметрий.

Динамическое нарушение киральной симметрии под влиянием внешнего гравитационного поля в рамках четырехфермионных теорий исследовалось в многочисленных работах [73−82] (см. также обзор [83] и имеющиеся там ссылки).

Согласно принципу эквивалентности Эйнштейна наличие ускорения равносильно действию сил гравитации. Поэтому для моделирования эффектов гравитации целесообразно рассмотреть движение ускоренного наблюдателя. Недавно динамическое нарушение киральной симметрии для равноускоренного наблюдателя и ее восстановление благодаря эффекту терма-лизации Унру было рассмотрено при нулевом химпотенциале в [84]. Дальнейшее исследование влияния температуры Унру на фазовые переходы в плотной кварковой среде при конечном химпотенциале, и в особенности на восстановление нарушенной цветовой симметрии в ЦСП-фазе, было сделано в [85].

Одним из распространенных методов учета эффектов гравитации является адиабатическое разложение функции Грина в окрестности фиксированной точки пространства по степеням малой кривизны [86, 87]. Например, в работе [88] исследовалась трехмерная модель Гросса-Невё в пространстве-времени со слабо искривленной двумерной поверхностью при ненулевом химпотенциале. В статье [89] подобная аппроксимация была использована для рассмотрения динамического нарушения киральной симметрии при конечной температуре и химпотенциале.

Адиабатическое разложение также оказывается очень полезным при проведении программы перенормировки в квантовой теории поля в искривленном пространстве, поскольку высокочастотные компоненты поля чувствительны лишь к локальной геометрии пространства. Однако, вблизи точки фазового перехода нельзя считать критическое значение кривизны Rc малой величиной. Кроме того, поскольку процесс нарушение симметрии происходят в инфракрасной области, он может зависеть от глобальной геометрии пространства. Поэтому для рассмотрения динамического нарушения симметрии в искривленном пространстве необходимо использование точных по кривизне решений с конечным Rc.

К сожалению, точные решения могут быть получены лишь в тех случаях, когда пространство обладает достаточно широкой группой симметрий. В литературе можно встретить большое число примеров нарушения кираль-ной симметрии в различных симметричных пространствах как при нулевой, так и при конечной температуре (см. обзор [83] и имеющиеся там ссылки).

Одним из них является хорошо известная статическая Вселенная Эйнштейна R (g> S'3 с постоянной положительной кривизной. Кроме того, Вселенная Эйнштейна имеет конечный объем. Недавно в [90] было получено точное выражение для эффективного потенциала во Вселенной Эйнштейна с учетом конечной температуры и химпотенциала. Как было показано, положительная кривизна пространства Эйнштейна приводит к восстановлению нарушенной киральной симметрии, то есть действует аналогично температуре в плоском пространстве.

Другим примером пространства, для которого можно найти точное по кривизне решение, является статическое гиперболическое пространство R <3 Я3, обладающее постоянной отрицательной кривизной. Как было отмечено, в пространствах с отрицательной кривизной киральная симметрия оказывается нарушенной даже при слабом взаимодействии между фермио-нами [74,76,78]. То есть отрицательная кривизна действует на нарушение симметрии аналогично магнитному полю в плоском пространстве. Детальный анализ ядра теплопроводности в гиперболическом пространстве показал, что физической причиной этого является эффективная размерная редукция для фермионов в инфракрасной области [91].

Недавно было проведено изучение совместного влияния гравитационного и магнитного полей на динамическое нарушение киральной симметрии в случае двумерного пространства постоянной отрицательной кривизны, так называемой плоскости Лобачевского [92]. Исследования эффектов, связанных с поверхностной кривизной, могут играть важную роль в физике твердого тела, например при изучении квантового эффекта Холла в графене [93−95].

Целью данной диссертации является дальнейшее изучение влияния гравитации на динамическое нарушение различных симметрий в плотной кварковой среде.

В главе 1 рассматривается динамическое нарушение и восстановление киральной и цветовой симметрий в статической Вселенной Эйнштейна. В рамках расширенной модели Намбу-Йона-Лазинио изучается поведение кваркового и дикваркового конденсатов под влиянием гравитационного поля, а также температуры и плотности кварковой среды. В приближении среднего поля получается точное по кривизне выражение для эффективного потенциала, который содержит всю необходимую информацию о киральном и цветовом конденсатах. Проводится подробный анализ фазовой структуры модели.

В главе 2 рассматривается явление конденсации пионов в изотопи-чески асимметричной кварковой среде в компактных пространствах. Исследуется эффект конечного объема на нарушение изоспиновой симметрии в рамках двумерной модели типа Гросса-Невё в пространстве R S1, а также в пространстве Эйнштейна R S3 в рамках четырехмерной расширенной модели Намбу-Иона-Лазинио. Проводится учет влияния конечных размеров пространства и кривизны на фазовый портрет системы. Изучается влияние конечной температуры и плотности среды на фазовые переходы. Кроме того, исследуется влияние малой токовой массы кварков на нарушение симметрий. Демонстрируются эффекты осцилляций конденсатов как функций кривизны. Сравниваются роли температуры и положительной кривизны пространства Эйнштейна в восстановлении нарушенных симметрий.

В главе 3 изучается динамическое нарушение киральной и цветовой симметрий в плотной кварковой среде в статическом гиперболическом пространстве R (g> iJ3. В рамках расширенной модели Намбу-Йона-Лазинио получено точное по кривизне выражение для термодинамического потенциала. Используя аналитические решения уравнений щели для кваркового и дикваркового конденсатов, демонстрируется эффект гравитационного катализа нарушения киральной и цветовой симметрий в сильном гравитационном поле при слабом притяжении между кварками. Исследуется зависимость фазовой структуры модели от соотношения между константами связи. С использованием численных методов изучаются фазовые переходы под влиянием химпотенциала и отрицательной кривизны и строится фазовый портрет системы.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты диссертации были опубликованы в работах:

1. Жуковский В. Ч., Тюков А. В., Эберт Д. Фазовые переходы в плотной кварковой среде в гравитационном поле постоянной кривизны. — Вестник Московского Университета. Серия 3. Физика. Астрономия.

— 2007. — Т. 3. — С. 68−70.

2. Ebert D., Tyiikov А. V., Zhukovsky V. Ch. Dynamical breaking and restoration of chiral and color symmetries in the static Einstein universe.

— Phys. Rev. D. — 2007. — Vol. 76. — P. 64 029.

3. Ebert D., Klimenko K. G., Tyukov A. V., Zhukovsky V. Ch. Pion condensation of quark matter in the static Einstein universe. — Eur. Phys. J. C. — 2008. — Vol. 58. — Pp. 57−68.

4. Ebert D., Klimenko K. G., Tyukov A. V., Zhukovsky V. Ch. Finite size effects in the Gross-Neveu model with isospin chemical potential. — Phys. Rev. D. — 2008. — Vol. 78. — P. 45 008.

5. Ebert D., Tyukov A. V., Zhukovsky V. Ch. Gravitational catalysis of chiral and color symmetry breaking of quark matter in hyperbolic space. — Phys. Rev. D. — 2009. — Vol. 80. — P. 85 019.

3.7. Выводы

Мы исследовали динамическое нарушение киральной и цветовой сим-метрий в плотной кварковой среде под влиянием отрицательной скалярной кривизны гиперболического пространства. В рамках расширенной модели НЙЛ был получен термодинамический (эффективный) потенциал системы как функция кирального и цветового конденсатов, а также температуры, химпотенциала и кривизны.

Изучалось два различных режима динамического нарушения симмет-рий. Во-первых, был рассмотрен подкритический режим, когда константы связи меньше своих критических значений в плоском пространстве. Как известно, в этом случае в плоском четырехмерном пространстве не происходит нарушения симметрий, а уравнения щели имеют только тривиальные решения. В отличие от плоского случая в гиперболическом пространстве симметрия может быть нарушена даже при произвольно малой константе связи. Это явление было названо гравитационным катализом динамического нарушения симметрии. В случае подкритических констант были получены аналитические выражения для кирального и цветового конденсатов, которые непертурбативным образом зависят от кривизны. Во-вторых, был изучен режим сверхкритических констант, когда симметрия нарушена даже в плоском пространстве. Как было показано, в этом случае кривизна приводит к аналитическим поправкам, которые увеличивают значения конденсатов в плоском пространстве и усиливают нарушение симметрий.

Интересно отметить, что для подкритических констант связи катализирующее действие сильного гравитационного поля гиперболического пространства аналогично влиянию магнитного или хромомагнитного полей на динамическое нарушение симметрий в плоском пространстве. Как было явно показано, гравитационный катализ имеет место для кирального и цветового конденсатов. Следует также заметить, что гравитационный катализ сопровождается понижением размерности системы. В режиме слабой связи решение уравнения щели напоминает конденсат в двумерной модели Гросса-Невё. Поэтому мы приходим к выводу, что сильное гравитационное поле гиперболического пространства приводит к эффективной размерной редукции до двух измерений.

Как уже было сказано, в случае подкритических констант связи отрицательная кривизна существенным образом изменяет фазовую структуру модели, делая симметричную фазу нестабильной по отношению к образованию конденсатов. В то же время в сверхкритическом случае следует ожидать лишь незначительных изменений фазовой структуры, полученной в плоском пространстве. Новая фазовая структура модели была подробно проанализирована для подкритического случая. Было показано, что она зависит только от отношения обратных (безразмерных) констант, А и В и не зависит от кривизны. При А/В > 1 реализуется смешанная фаза с нарушенной киральной и цветовой симметриями, а при А/В <1 возникает только фаза с нарушенной киральная симметрией. Точно такое же критическое соотношение А/В = 1 было найдено в случае плоского пространства в рамках модели произвольных матриц [145]. Как утверждал автор, это соотношение является следствием глобальных симметрий модели.

Исследовалось влияние конечной температуры на фазовые переходы. Киральный и цветовой конденсаты были вычислены как функции температуры и кривизны. Показано, что для любого фиксированного значения кривизны существует критическая температура, при которой происходит фазовый переход с восстановлением симметрии.

Используя численное методы, были изучены переходы между фазой с нарушенной киральной симметрией и цветовой сверхпроводящей фазой под влиянием конечного химпотенциала и кривизны в сверхкритическом режиме. Показано, что при большом химпотенциале, как и в плоском пространстве, происходит образование дикваркового конденсата, а кварковый конденсат подавляется. Построен фазовый портрет системы при нулевой температуре, из которого следует, что критический химпотенциал /хс (|г|), при котором происходит фазовый переход, растет с увеличением кривизны. Кроме того, кварковый и дикварковый конденсаты, а и, А приобретают благодаря кривизне небольшие поправки, увеличивающие их значения в плоском пространстве и приводящие к усилению нарушения симметрии.

Хотя в данной главе рассматривалась лишь простая модель нарушения симметрии в искривленном пространстве, можно надеяться, что её результаты могут оказаться полезными при изучении более реалистичных ситуаций, касающихся фазовых переходов под влиянием сильных гравитационных полей.

Заключение

В настоящей диссертации рассмотрены эффекты динамического нарушения киральной, цветовой и изоспиновой симметрий в плотной кварковой среде под влиянием внешних гравитационных полей, а также химического потенциала и температуры. В качестве основной теоретической модели использована расширенная модель Намбу-Йона-Лазинио, содержащая различные типы четырехфермионных взаимодействий.

Для изучения влияния гравитации на динамическое нарушение симметрий рассмотрены два типа пространств: статическая Вселенная Эйнштейна, имеющая постоянную положительную кривизну, и статическое гиперболическое пространствообладающее постоянной отрицательной кривизной. В приближении среднего поля получены точные по кривизне выражения для термодинамических потенциалов, которые содержат всю необходимую информацию о кварковых конденсатах в искривленном пространстве.

В случае статической Вселенной Эйнштейна показано, что положительная кривизна играет роль, аналогичную температуре в плоском пространстве, приводя к фазовым переходам второго рода с восстановлением нарушенных симметрий. Кроме того, большое сходство фазовых кривых как функций кривизны и температуры говорит о схожей роли этих параметров в восстановлении симметрий.

Продемонстрировано, что при конечном химпотенциале конденсаты, а также фазовые кривые (критические кривые) являются осциллирующими функциями кривизны. Эти осцилляции объясняются дискретностью фермионных энергетических уровней в компактном пространстве. Данный эффект можно сравнить с осцилляциями де Гааза-ван Альфвена различных термодинамических величин в магнитном поле, где фермионные уровни (уровни Ландау) также дискретны. Показано, что при увеличении температуры осцилляции сглаживаются.

Изучено влияние конечного объема пространства на образование пионного конденсата в рамках двумерной модели Гросса-Невё с изотопическим химпотенциалом в пространстве R S1, которое является двумерным аналогом Вселенной Эйнштейна. В рамках этой модели были аналитически получены критические кривые, разделяющие симметричную и пионную фазы, в случае периодических и антипериодических граничных условий. Наличие конечного объема приводит к тому, что существует критическое значение размера пространства, при котором нарушенная симметрия восстанавливается. Показано, что критические кривые имеют осциллирующий характер, что объясняется дискретностью энергетических уровней в замкнутом пространстве. В случае антипериодических граничных условий фазовые кривые демонстрируют значительное сходство с полученным фазовым портретом при нулевой температуре в пространстве Эйнштейна.

Совершенно иное действие оказывает на нарушение симметрий отрицательная кривизна гиперболического пространства. Показано, что в этом случае имеет место гравитационный катализ динамического нарушения симметрий, т. е. симметрия может быть нарушена даже при произвольно слабом притяжении между кварками, в отличие от плоского пространства, а также Вселенной Эйнштейна, где симметрия может быть нарушена только если константа связи больше своего критического значения.

Проведенный анализ показал, что катализирующее действие сильного гравитационного поля гиперболического пространства аналогично влиянию магнитного или хромомагнитного полей на нарушение симметрий в плоском пространстве. Продемонстрировано, что гравитационный катализ сопровождается эффективной размерной редукцией до двух измерений.

Исследовалось влияние конечной температуры на фазовые переходы.

Киральный и цветовой конденсаты были вычислены как функции температуры и кривизны. Было показано, что для любого фиксированного значения кривизны существует критическая температура, при которой происходит фазовый переход с восстановлением нарушенных симметрии.

При константе связи превышающей критическое значение отрицательная кривизна приводит к увеличению конденсатов по сравнению с их значениями в плоском пространстве, усиливая тем самым эффект нарушения симметрий.

Представленные в диссертации исследования носят модельный характер. Тем не менее, полученные в ней результаты могут послужить основой для дальнейших исследований, которые будет более близки к реальным космологическим или астрофизическим ситуациям. В частности это касается, например, вопроса о влиянии собственного гравитационного поля компактных астрофизических объектов, таких как нейронные звезды, на образование в них пионного или дикваркового конденсатов.