The Physics of the Quark-Gluon Plasma pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Sinha, Bikash 编

出品人:

页数:369

译者:

出版时间:2009-11-01

价格:USD 89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9783642022852

丛书系列:

图书标签:

• Quark-Gluon Plasma
• Relativistic Heavy Ion Collisions
• Nuclear Physics
• Particle Physics
• Quantum Chromodynamics
• Strong Interaction
• High Energy Density Matter
• Heavy Ion Physics
• Lattice QCD
• Thermal Field Theory

宇宙的黎明：夸克-胶子等离子体的物理学 导言 在宇宙诞生后的最初几微秒，温度和密度高到前所未有的程度，物质以一种我们日常经验完全陌生的形式存在——夸克-胶子等离子体（Quark-Gluon Plasma, QGP）。这是一种由基本粒子——夸克和胶子——组成的“汤”，它们不再束缚于质子和中子等强子内部，而是自由地运动。理解QGP的性质，不仅是对强相互作用力的终极检验，更是深入探索宇宙早期状态的关键窗口。 本书将带领读者进入粒子物理学和核物理学的最前沿领域，聚焦于构建和研究这种极端物质态所需的理论框架、实验技术及其带来的深刻物理洞察。我们不关注已有的特定教材或现有文献中的已知结构，而是从基本原理出发，构建一个探索这一迷人领域的完整叙事。 第一部分：强相互作用力的基础与约束 在深入QGP之前，必须坚实地理解其基本组成单元——夸克和胶子——以及它们之间相互作用的理论基础：量子色动力学（Quantum Chromodynamics, QCD）。 1. 量子色动力学的骨架 QCD是描述强相互作用力的规范理论。它基于SU(3)对称性群，引入了“色荷”的概念，与电磁学中的电荷相对应。本书将详细阐述规范场论的基本构造，特别是如何引入胶子作为携带色荷的玻色子。我们将仔细分析QCD的拉格朗日量，并探讨其核心特征。 2. 渐近自由与夸克禁闭 QCD最引人注目的两个现象是：在极短距离或高能量下，强相互作用力减弱，表现出“渐近自由”；而在长距离下，相互作用力反而增强，导致夸克和胶子被“禁闭”在强子内部。我们将用路径积分方法和微扰论来解析渐近自由的机制，并用格点计算（Lattice QCD）的初步概念来解释夸克禁闭的非微扰本质，强调这些现象如何定义了我们理解物质的正常状态。 3. 强子谱的构建 在深入等离子体之前，我们需要了解被约束态——强子（如质子和中子）的构成。本书将探讨如何利用夸克模型和非微扰QCD方法来预测和解释观测到的强子质量谱和衰变常数，为理解这些粒子在高温下如何“熔化”奠定基础。 第二部分：相变与临界点 从正常的强子物质到QGP并非一个平滑的过渡，而是涉及一个复杂的相变过程。 4. 统计力学与热力学基础 研究QGP需要运用统计物理学的工具。我们将建立研究高温高密度系统的理论框架，包括配分函数、热力学势以及如何利用费曼图在有限温度下的推广形式——环图展开（Thermal Loop Expansion）。 5. QCD相图的绘制 QCD相图是描绘物质在不同温度（$T$）和重子化学势（$mu_B$）下的状态图。我们关注的重点是重子物质的“三相点”或临界点（Critical Point）。本书将探讨理论预测的相变类型：在零重子密度下，预期存在一个二阶相变或交叉点，将强子物质与QGP分隔开来。我们将分析如何利用有效的场论模型来模拟相变的性质。 6. QGP的形成：熔化过程 当温度超过某个临界温度$T_c$（估计在150-200 MeV范围），强子结构开始瓦解。我们将从微观角度分析这一“熔化”过程：当夸克和胶子获得足够的热能量，它们对彼此的束缚力弱到不足以维持孤立的强子状态。探讨有效自由度从介子和核子转变为夸克和胶子需要克服的能量壁垒。 第三部分：夸克-胶子等离子体的动力学与输运性质 QGP并非一个静止的“理想气体”，而是一个具有复杂流体力学行为的近乎“完美流体”。 7. 输运系数的计算 理解QGP如何演化，需要计算其输运系数，特别是剪切粘滞度($eta$)、体积粘滞度($zeta$)和热导率($kappa$)。我们将介绍如何利用微扰QCD计算这些量，但更重要的是，探讨非微扰方法，特别是Kubo公式在格点QCD计算中的应用，用以确定$eta/s$（剪切粘滞度与熵密度的比值）这一关键参数，揭示其接近量子下限的特性。 8. 夸克和胶子的有效理论 在描述QGP的低能激发和集体行为时，需要构建适合于高温环境的有效场论。本书将引入高温有效场论（HTL），分析在$T gg T_c$时，夸克和胶子的传播子如何被修正，以及如何处理梅森（Matsubara）频率的求和。这对于理解声子和激发模式至关重要。 9. 夸克-胶子相互作用的有效模型 为了超越微扰理论的局限，我们将考察描述QGP内部强子化和退禁闭的非微扰模型，如“颜色场动力学”或某些形式的“夸克输运模型”。这些模型旨在捕获夸克和胶子在等离子体中经历的散射、激发和能量损失过程。 第四部分：实验探测与观测信号 理论的价值最终体现在与实验的对比上。本书将详细分析当前重离子碰撞实验中寻找QGP存在的关键“指纹”。 10. 射流淬火（Jet Quenching） 当高能夸克或胶子（射流前体）在QGP中穿行时，它们会与介质中的夸克和胶子发生强烈的相互作用并损失能量。我们将分析导致高$p_T$粒子产额下降的能量损失机制（主要是辐射和碰撞），以及如何利用这些数据来限制QGP的密度和相互作用强度。 11. 夸克素子与重味子（Heavy Quarks） 重夸克（如粲夸克和底夸克）由于其自身的质量较大，在QGP中行为可以被更精确地预测。我们将研究重夸克在等离子体中的扩散系数，以及它们在介质中形成的“准粒子”或被捕获的程度。重夸克素子的集体运动（如$R_{AA}$和径向偏流$v_2$）是QGP流体特性的重要探针。 12. 夸克素子的变化（Quarkonium Suppression） 高温可以“融化”由夸克-反夸克对束缚而成的夸克素子（如$J/psi$和$Upsilon$）。我们将应用“颜色屏蔽”效应来解释这些素子在QGP中的产生截面的降低，并讨论其“融化”温度如何揭示了QGP中颜色场强度的分布。 结语 本书旨在提供一个全面的、自洽的理论和实验框架，用于理解宇宙中最极端物质态——夸克-胶子等离子体。通过对QCD的深入剖析、对相图的探索以及对输运性质的计算，我们试图重构宇宙诞生瞬间的物理环境，从而深化对物质本质及其基本相互作用力的理解。

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