三种味道夸克物质的晶体型手征破缺模式及其唯象学意义

The phase transition of QCD accociated with the chiral-symmetry restoration and deconfinement is a research focus in the field of high energy nuclear physics. At finite baryon density, the appearance of the quark Fermi-sea may lead to the inhomogeneous chiral condensate. Recently, the crystaline phases accociated with the chiral-symmetry breaking, such as the chiral density wave, the chiral spiral and domain-wall soliton, have received wide attentions. The inhomogeneous chiral condensate may result in a quite different phase diagram of QCD in the intermediate density region compared to the conventional wisdom. So far, the investigations of the crystaline chiral condensate are only limitted to the 2-flavor case. However, the strange quark should plays an important role near the boundary of the chiral transition where the inhomogeneous chiral condensate may occur. In this proposal, we plan to extend the study of the crystaline chiral condensate to the 3-flavor case. We will explore the possible new inhomogeneous pairing patterns between quarks and quark-holes at finite chemical potential by including the strange quark degree of freedom. The research of the crystaline chiral condensate in the 3-flavor and/or 2+1 flavor cases will be conducted by borrowing the theory of the spin(charge) density wave in condensed matter physics and the ideas of the inhomogeneous color superconducting phase. We will focus on the influences of the 3-flavor crystaline chiral condensates on the chiral transition, the deconfinement transition and the color superconducting phase. The purpose of this project is devoted to map out the new phase diagram of QCD in low to intermediate temperatures and moderate density with the impact of the 3-flavor crystaline phase accociated with chiral-symmetry breaking.

量子色动力学（QCD）手征恢复相变和退禁闭相变是中高能核物理的前沿和热点研究领域。在有限重子数密度情形，夸克费米海的出现可能导致各向异性的非均匀晶体型手征凝聚，如手征密度波、手征螺旋、畴壁孤子等。这类密度效应导致的反常凝聚极有可能颠覆当前关于QCD在中、高重子数密度区域手征相变的流行观点。目前国际上关于晶体型手征破缺及手征恢复的研究仅涉及两种轻夸克味道的体系。本项目拟通过借鉴凝聚态物理自旋（荷）密度波和QCD晶体色超导的研究方法和理论，将u、d夸克参与的晶体型手征凝聚推广到包含有s夸克自由度的情形。深入探讨三种味道及二加一种味道情形可能的新型非均匀夸克-夸克空穴配对机制和模式，并进而揭示有奇异夸克参与的晶体型手征破缺相对QCD手征恢复相变、退禁闭相变及色超导相变的影响。通过本项目的研究，我们希望给出对中低温及中等密度区域QCD相变和相结构的全新认识，并在相关领域的国际竞争中占有一席之地。

研究极端条件下强相互作用物质的相变不但有助于加深人类对宇宙早期演化规律、致密天体的形成演化及内部结构的认识，亦有助于揭示夸克禁闭之谜这样的重大物理学难题。本项目主要通过QCD的有效模型和理论，试图对中高重子数密度区域QCD可能的新奇相结构，特别是非定域手征对称性破缺及恢复、解禁闭和手征相变的关系给出全新的认识。基于NJL模型，我们首次提出了在有限同位旋化学势情形夸克间存在味道混合的一种新机制。即矢量相互作用在同位旋标量道和矢量道的差异可导致不同味道轻夸克间的混合。不同于手征反常导致的质量混合，矢量作用不匹配可导致夸克间的密度混合。模型研究表明，即使手征反常在相变线附近得到有效恢复，这种密度混合效应也可避免因轻夸克化学势不同而造成手征相变分叉。该研究从理论上进一步排除了因化学势差异出现多个QCD手征临界点的可能。针对有欧洲学者提出对偶夸克凝聚可作为解禁闭序参量，并由此解释手征、解禁闭相变必然纠缠重叠，课题组提出并研究了对偶Pion凝聚作为Pion超流相的解禁闭序参量的可能性。我们证实了该对偶量确实具有解禁闭序参量的若干特征。但发现其与对偶夸克凝聚间的竞争会导致后者出现反常的温度依赖关系。研究表明对偶夸克凝聚的磁化率对手征相变很敏感，而对偶pion凝聚的磁化率对残存的同位旋U(1)对称性恢复相变很敏感；而两者都对Polyakov圈不敏感。由此我们对对偶物理量作为解禁闭序参量的合理性提出质疑，指出对轻夸克体系上述对偶量并不反映解禁闭的信息,因而不适于用作解禁闭序参量。课题组进而提出了一种新的对Polyakov圈敏感的对偶密度可作为解禁闭的有效序参量。项目组的另一研究进展是我们指出可将具有宇称简并特征的重子数产额增强作为中等密度区域手征相变临界线附近色超导相存在的实验信号，相关研究被俄罗斯杜布纳核子中心NICA项目的白皮书收录。项目组在奇异夸克参与的晶体性手征破缺研究方向已取得实质性突破，相关工作有待整理发表。