强相互作用系统的相变及其实验室观测信号的理论研究

The research on the phase transitions and other properties of the strong interaction matter at high temperature and density can enrich our knowledge on the relation between the color confinement and dynamical chiral symmetry breaking of the matter and the non-perturbative properties of QCD, and provide information on the evolution of the early universe matter (in particular, the strong interaction sector)...In this proposed project, we will develop continuous field theory approach of the non-perturbative QCD and dynamical numerical simulations to study the QCD phase diagrams, the phase transitions, the properties of the strong interaction matter and the associated experimental observables. The research topics include: 1) continuous field theory approaches of non-perturbative QCD, especially those for studying the strong interaction matter at finite temperature and density，2)the equation of state and other properties of the QCD matter, the QCD phase transitions (not only the dynamical chiral symmetry breaking and symmetry restoration but also the confinement-deconfinement) and phase structure, 3) hydrodynamics and dynamic modeling, 4) the phase boundaries of the QCD phase transitions, the location of the critical end points and the sensitive experimental observables. This research program will enrich our understanding of strong interaction matter，especially for the phase transitions and the properties of the strongly coupled quark-gluon plasma，and provide supports for relativistic heavy ion collision experiments with an emphasis of the connections between theory and experiment.

对于强相互作用物质的相变等性质的研究可以深化我们对QCD的色禁闭和手征对称性破缺间的关系及非微扰能区QCD的性质的认识，并为极早期宇宙中物质的演化行为提供信息。..在该项目研究中，我们将发展QCD非微扰连续场论方法和动态的数值模拟来研究QCD相图、强相互作用物质的性质及相应的实验观测信号。 其具体研究内容包括：1)有限温有限密强相互作用物质性质研究中的QCD非微扰连续场论方法；2）强相互作用物质的性质、状态方程、相结构与相变；3)流体力学及动力学模型； 4）强相互作用系统的相变和相变临界终点位置的确定及相应的实验信号、等等。 该项目的研究将深化我们对强相互作用物质的认识，特别是对强相互作用系统的相变及强耦合夸克胶子等离子体的性质等的认识，并为相对论重离子碰撞实验提供理论支持，具有明显的前沿性和理论研究与实验研究相结合的特色。

该项目的研究背景是：实验室中相对论性重离子碰撞积累大量数据、新的以寻找QCD相变的临界终点为主要目标的实验即将开展，为关于强相互作用物质相变研究的理论方法及具体研究提出了新的要求和挑战。..研究取得的成果主要有：1）建立QCD的Dyson-Schwinger(DS)方程方法下描述QCD物质系统的压强等热力学性质的方法，发展完善表征相变和确定临界终点位置的广义磁化率判据（非微扰下，传统的热力学势判据失效），给出夸克-强子相变的分界面的表面张力系数和表面熵密度、解决了困扰QCD相变领域多年的随温度降低的强子化过程与热力学第二定律不一致的熵疑难问题；说明简单模型下QCD物质具有磁催化效应的物理机制；从多个方面预言QCD相图及临界终点的位置。2)给出完整的夸克-胶子相互作用顶角的动量和流夸克质量依赖行为（包含12种张量结构，并参数化为解析表达式）、为非微扰连续场论基本方法与唯象学分析建立了桥梁，还给出一些强子结构信息。3）给出可能出现相变的强相互作用物质的状态方程，说明可能存在两倍以上太阳质量的混杂星，并给出其结构；给出夸克物质的剪切粘滞系数和体粘滞系数随温度变化的行为，发现体粘滞系数及其与熵密度的比值也可以作为表征QCD相变的可观测量。4）利用相对论性流体力学研究了QCD相变的实验观测信号，给出初态涨落、末态关联和高阶流的行为，所得结果得到ALICE实验等的证实；给出RHIC和LHC能区大系统和小系统一系列集体流信号，为很多实验测量提供了理论基线；研究了相变临界点附近动力学演化的效应，给出动态演化对涨落的影响,发现临界慢化会导致高阶矩改变符号、一级相变的过冷现象导致动力学涨落的高阶矩增大。5）利用非监督式学习的PCA方法分析了流体力学末态粒子分布，发现机器可以自动在大量数据中寻找到集体流，其给出的流流关联大大压低。..这一项目具有明显的前沿性和理论与实验密切结合的特色，已在国际重要学术刊物发表论文30多篇，并受到国际同行的广泛关注，论文已被引用400多次；还培养了一批研究生和博士后。

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