北沢 正清 大阪大学 盛岡研究会、つなぎ温泉、 2009 年 6/26 カラー超伝導...

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北北 北北 北北北北 北北北北北 北北北北北北 、、 2009 北 6/26 北北北北北北 Contents: (1) 北北北北 (2) 北 北北北北北北北北北北北北北 (3) 北北北北北北北北北北

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北沢 正清大阪大学

盛岡研究会、つなぎ温泉、 2009 年 6/26

カラー超伝導

Contents:(1) クォーク(2) 低~中間密度領域のカラー超伝導(3) 冷却原子系からの情報

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Phase Diagram of QCD Phase Diagram of QCD

T

0

RHICRHIC •success of ideal hydro. models•early thermalization

strongly coupled QGP near Tc

Confined

Color SC

LHCLHC

FAIR@GSIFAIR@GSI

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Quark “Quasi-particles” in the Deconfined Phase Quark “Quasi-particles” in the Deconfined Phase

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Is There Quark Quasi-Particles in QGP? Is There Quark Quasi-Particles in QGP? Is There Quark Quasi-Particles in QGP? Is There Quark Quasi-Particles in QGP?

( , ) p

“plasmino”

p / mT/

mT

6T

gTm

Yes, at asymptotically high T.

•2 collective excitations having a “thermal mass” mT~ gT

• width ~g2T

normalQuark quasi-particles:

~T

gm

The decay width grows as T is lowered.

NOT clear, near Tc.

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Lattice QCD Simulation for Quarks Lattice QCD Simulation for Quarks Karsch, MK, 2007

( )

( () )n n

p p

Z E

Z E

2-pole ansatz for quark spectral function:

:normal

:plasmino

Imaginary-time quark correlator in Landau gaugein quenched approx., 643x16

T

( , 0)C p T = 3Tc

0(1 ) / 2 projection by

•Similar result is obtained even with 1283x16! MK et al. in preparation.

•Result is insensitive to # of data points used in the analysis.Quark excitations would have small decay rate even near Tc.

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Quark Dispersion Quark Dispersion

HTL(1-loop)

p/T

Karsch, MK, arXiv:0906.3941.

(plasmino)

•Lattice results behave reasonably as functions of p.•Quarks have a thermal mass mT ~ 0.8T. (1.25<T/Tc<3)

in quenched approx., 643x16

Notice: Similar result is obtained even with 1283x16!Decay width may be small even for V∞.

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Phase Diagram Phase Diagram

T

0

0th approximation: (quasi-)fermions + interaction (gluon-ex.)

analogy to condensed matter phys.•Polarized gas•BCS-BEC crossover•strongly correlated system

Is thermal mass mT~0.8T not negligible? See, a trial in Hidaka, MK 2007

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Phase Diagram Phase Diagram

T

0

0th approximation: (quasi-)fermions + interaction (gluon-ex.)

•crossover transition

•quarkyonic region McLerran, Pisarski, 2007

chirally restored but confined

Is thermal mass mT~0.8T not negligible? See, a trial in Hidaka, MK 2007

analogy to condensed matter phys.•Polarized gas•BCS-BEC crossover•strongly correlated system

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Phase Diagram Phase Diagram

T

0

0th approximation: (quasi-)fermions + interaction (gluon-ex.)

•crossover transition

•quarkyonic region McLerran, Pisarski, 2007

chirally restored but confined

•Are 2 phases connected continuously at lower T?

1st CP : Asakawa, Yazaki, 1989.2nd CP : MK, et al., 2002 (See, also Yamamoto, et al., 2006).3rd CP : Zhang, et al.,2009.

analogy to condensed matter phys.•Polarized gas•BCS-BEC crossover•strongly correlated system

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Color Superconductivity at intermediate densities Color Superconductivity at intermediate densities

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Color Superconductivity Color Superconductivity Color Superconductivity Color Superconductivity

Ii j ijI I

I

q q

•pairing in scalar (JP=0+) channel

color,flavor anti-symmetric

T

attractive channel in one-gluon exchange interaction.

quark (fermion) system

Cooper instability at sufficiently low T

[ 3 ]c×[ 3 ]c = [ 3 ]c + [ 6 ]c

At extremely dense matter,

u d

s

ud

us ds

( )%

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Various Phases of Color Superconductivity Various Phases of Color Superconductivity

u d

s

ud

us ds

u d

s

ud

us ds

Color-Flavor Locking (CFL)2-flavor SuperCondoctor (2SC)

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

cL R B

cL R B

SU SU SU U

SU SU SU U%

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

cL R B

L R c B

SU SU SU U

SU U%

analogy with B-phasein 3He superfluid

T

sm = sm%

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Color Superconductivity in Compact Stars Color Superconductivity in Compact Stars

u d

s

(1) strong coupling!(2) mismatched Fermi surfaces

(1) weak coupling(2) common Fermi surface

ud

us ds

•effect of strange quark mass ms

•neutrality and -equilibrium conditions

Mismatch of densities

T

~Fp m

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Various Phases of Color Superconductivity Various Phases of Color Superconductivity

u d

s

ud

us ds

222=8 possibilities of distinct phases

ud=us=ds >0 CFL Alford, et al. ‘98

ud>0, us=ds =0 2SC Bailin, Love ‘84

+ chiral symmetry restoration

3 order parameters ud, us, ds

ud>0, us>0ds =0 uSC Ruster, et al. ‘03

ud>0, ds>0us =0 dSC Matsuura, et al., ‘04

cf.) Neumann, Buballa, Oertel ’03

many phases at intermediate densitiesT

Abuki, Kunihiro, 2005; Ruster et al.,2005; Fukushima, 2005

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Abuki, Kunihiro, 2005; Ruster et al.,2005, Fukushima, 2005

Various Phases of Color Superconductivity Various Phases of Color Superconductivity

u d

s

ud

us ds

222=8 possibilities of distinct phases

ud=us=ds >0 CFL Alford, et al. ‘98

ud>0, us=ds =0 2SC Bailin, Love ‘84

+ chiral symmetry restoration

3 order parameters ud, us, ds

ud>0, us>0ds =0 uSC Ruster, et al. ‘03

ud>0, ds>0us =0 dSC Matsuura, et al., ‘04

cf.) Neumann, Buballa, Oertel ’03

many phases at intermediate densitiesT

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Sarma Instability Sarma Instability

( )V

The gapless SC is realized only as the maximum of the effective potential.

gapless

BCS

Sarma instability

n

p

p

Gapless state is unstable against the phase separation.

unlockingregion

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What is the True Ground State? What is the True Ground State?

•LOFF•gluonic phase•crystalline CSC•spin-one superconductivity•CSC + kaon condensation

Candidates of true ground state:

gapless phases at T=0 have imaginary color Meissner masses mM

2<0.

Chromo-magnetic instability

There is more stable state.

Huang, Shovkovy,2003

high density low

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Color Superconductivity in Compact Stars Color Superconductivity in Compact Stars

(1) strong coupling!(2) mismatched Fermi surfaces

(1) weak coupling(2) common Fermi surface

•effect of strange quark mass ms

•neutrality and -equilibrium conditions

Mismatch of densities

T

~Fp m

u d

s

ud

us ds

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Structual Change of Cooper Pairs Structual Change of Cooper Pairs

T

Matsuzaki, 2000Abuki, Hatsuda, Itakura, 2002

[MeV]

d

– coherence lengthd – interquark distance

~ 100MeV/ EF ~ 0.1 / EF ~ 0.0001

in electric SC

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Phase Diagram Phase Diagram

• > m superfluidity• < m vacuum: No BEC region.•Nevertheless, bound diquarks exist in the phase diagram.

3-flavor NJL modelw/ slightly strong coupling GD/GS=0.75

MK, Rischke, Shovokovy,2008

bound diquarksfor us, ds pairs

mu,d=5MeVms = 80MeV

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Phase Diagram at Strong Coupling Phase Diagram at Strong Coupling

•BEC manifests itself.•Bound diquarks would exist in the deconfined phase.

GD/GS=1.1

BEC

MK, Rischke, Shovokovy,2008

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Conceptual Phase Diagram Conceptual Phase Diagram

weak couplinghigher

strong couplinglower large m

BCSBEC

T

preformedstable bosons

Conceptual phase diagram

superfluidity

Tc

Tdiss

hidden by mass discontinuityat 1st order transition

m ~

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Conceptual Phase Diagram Conceptual Phase Diagram

weak couplinghigher

BCSBEC

T

preformedstable bosons

Conceptual phase diagram

superfluidity

Tc

Tdiss

strong couplinglower large m

m ~

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Pseudogap in HTSC Pseudogap in HTSC

Depression of the DoS around the Fermi surface above Tc

Pseudogap

k

( )N

2

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The pseudogap survives up to =0.05~0.1 ( 5~10% above TC ).

( )

( )free

N

N

pseudogap region

Pseudogap Region Pseudogap Region 2-flavor NJL; GD/GS = 0.61

MK, et al., 2005

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Conceptual Phase Diagram Conceptual Phase Diagram

weak couplinghigher

strong couplinglower large m

BCSBEC

T

preformedstable bosons

Conceptual phase diagram

superfluidity

Tc

Tdiss

Pseudogap (pre-critical) region

T*

m ~

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Some Progress in Cold AtomSome Progress in Cold Atom

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Crossover in Polarized Fermi gas Crossover in Polarized Fermi gas

Pao, Wu, Yip, cond-mat/0506437Son, Stephanov, cond-mat/0507586

Question: How is the intermediate region between two limits in the polarized Fermi gas?

homogeneous•mixture of fermions and bound bosons

Strong coupling limit Weak coupling limitspatially inhomogeneous

•LOFF•phase separation

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Various Efforts in Cold Atom Society Various Efforts in Cold Atom Society

T/T

F

polarization

Shin, et al., Nature451,689(2008)

•Experimental result at unitarity in the trapped gas —no polarized SC at unitarity

•Monte Carlo simulation•Renormailzation group method•etc…

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Cold Fermions with N Species Cold Fermions with N Species

•Trapped potential + optical trap•Select N hyperfine states w/ magnetic trap

N-”flavor” attractive fermion systemE

123

for N=3,1

32

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Cold Fermions with N Species Cold Fermions with N Species

•Trapped potential + optical trap•Select N hyperfine states w/ magnetic trap

N-”flavor” attractive fermion systemE

123

for N=3,

weak coupling:“2SC” BCS state

strong coupling:Fermi-liquid of “trions”

1

32

phase transition

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Trion-BCS Transition Trion-BCS Transition

3-component Hubbard model:

Rapp, et al., PRL99,130406(2007).Rapp, et al., PRB77,144520(2008).

Gutzwiller ansatz:

•MFA for g and BCS •large d limit

weak strong

Fermion-boson mixture : Another interesting systemMaeda, et al., 0904.4372

fermion

boson

attraction Strong coupling

superfluid moleculesWeak couplingBEC of bosons

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Summary Summary

•QCD 相転移の向こう側ではクォーク物質(もしくは QGP状態)が実現しており、低温高密度の基底状態はカラー超伝導である。

•低密度領域のカラー超伝導は強結合系であり、かつフェルミ面が不揃いな超伝導状態である。

•冷却原子系から得られる情報は極めて興味深く、 QCD 相図および、ハドロン化のメカニズムを理解する上でも有用な可能性がある。

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Summary Summary

weak couplinghigher

BCSBEC

T

preformedstable bosons

Conceptual phase diagram

superfluidity

Tc

Tdiss

Pseudogap (pre-critical) region

T*

RHIC; hadronization, etc.measurement on lattice QCD

FAIR@GSI?

Bound diquark wouldexist in sQGP.

Large fluctuationsaffect various observables.

strong couplinglower large m

m ~