Phasenübergang und Screeningmassen in der Nf = 2 QCD

• Applicant: Professor Dr. Owe Philipsen
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2008 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 73069707

• Final Report Year: 2011

Final Report Abstract

Die Theorie der starken Wechselwirkungen, die Quantenchromodynamik (QCD), sagt bei hohen Temperaturen einen Phasenübergang von einem Hadrongas zu einem Quark-Gluon-Plasma voraus. Die Eigenschaften dieses Phasenübergangs müssen nichtperturbativ durch Simulationen der QCD auf einem diskreten Raumzeitgitter berechnet werden. In diesem Projekt untersuchen wir den Phasenübergang der QCD mit zwei leichten Quarkflavours und die Möglichkeit einer Extrapolation zum chiralen Limes (Quarkmassen Null). Für moderate Quarkmassen ist der Übergang lediglich ein analytischer Crossover, während im chiralen Limes ein echter nichtanalytischer Phasenübergang existieren muss. Bislang gibt es zur Ordnung des chiralen Übergans (erste Ordnung oder zweiter Ordnung mit Universalitätsklasse O(4)) widersprüchliche Ergebnisse, da die chirale Symmetrie der Theorie sowohl durch Gitterartefakte als auch durch endliche Quarkmassen explizit gebrochen wird und der chirale Limes nur durch Extrapolation zugänglich ist. Unser Projekt untersucht diesen Übergang mit einer Diskretisierung, die bisher noch nicht in Simulationen bei endlicher Temperatur verwendet worden ist, nämlich Wilsonfermionen mit sogenannter “twisted” oder verdrehter Masse. Die Twisted-Mass-QCD (tmQCD) erlaubt bei geeigneter Parameterwahl Simulationen, die automatisch in der führenden Ordnung der Gitterkonstanten verbessert sind, also kleinere Diskretisierungseffekte haben. In einem ersten Schritt untersuchen wir das Phasendiagramm der tmQCD im zugehörigen Parameterraum und identifizieren physikalische und unphysikalische Phasen. Insbesondere verifizieren wir, dass sich bei sogenannntem maximalen Twist der thermische Phasenübergang mit automatischer O(a)-Verbesserung simulieren lässt. Wir bestimmen die pseudokritische Temperatur des Crossovers als Funktion der Quark- bzw. Pionmasse, mπ ∼ 300 − 1000 MeV und extrapolieren zum chiralen Limes. Es zeigt sich, dass lediglich Pionmassen < 450 MeV mit chiralem Skalenverhalten konsistent sind. Wir finden jedoch, dass eine zuverlässige Bestimmung der Ordnung des chiralen Phasenübergangs Pionmassen < 100 MeV erfordern würde. Darüberhinaus berechnen wir Screeningmassen, deren Entartungsspektrum Hinweise auf die zugrundeliegende chirale Symmetrie der Theorie, insbesondere die UA(1)-Anomalie, und somit auf die Ordnung des Phasenübergangs gibt. Wir finden, dass die Anomalie zum chiralen Limes hin stärker wird, was einen chiralen O(4)-Phasenübergang favorisiert. Die numerischen Simulationen werden durch analytische Rechnungen führender Diskretisierungseffekte im thermodynamischen Druck sowie der Screeningmassen flankiert.

Publications

• “The thermal QCD transition with two flavours of twisted mass fermions,” Phys. Rev. D
  F. Burger, E.-M. Ilgenfritz, M. Kirchner, M.P. Lombardo, M. Müller-Preußker, O. Philipsen, C. Urbach, L. Zeidlewicz
  
• “The finite-temperature phase structure of lattice QCD with twisted-mass Wilson fermions,” PoS LATTICE2008 (2008) 206
  E. M. Ilgenfritz et al.
  
• “On the phase structure of lattice QCD with twistedmass Wilson fermions at non-zero temperature,” PoS LATTICE2009 (2009) 266
  M. Müller-Preußker et al.
  
• “Phase structure of thermal lattice QCD with N(f) = 2 twisted mass Wilson fermions,” Phys. Rev. D 80 (2009) 094502
  E. M. Ilgenfritz, K. Jansen, M. P. Lombardo, M. Müller-Preußker, M. Petschlies, O. Philipsen and L. Zeidlewicz
  
• “Cut-off effects of Wilson fermions on the QCD equation of state to O(g**2),” Phys. Rev. D 81 (2010) 077501
  O. Philipsen and L. Zeidlewicz
  
• “Thermal transition temperature from twisted mass QCD,” PoS LATTICE2010 (2010) 220
  L. Zeidlewicz et al.