Extreme States of Matter in Strong Interaction Physics: An Introduction

ترمودینامیک ماده دارای برهمکنش قوی، هم در تئوری و هم در آزمایش به یک حوزه عمیق و چالش برانگیز از فیزیک مدرن تبدیل شده است. کرومودینامیک کوانتومی آماری، از طریق مطالعات تحلیلی و همچنین عددی، ابزار نظری اصلی را فراهم می‌کند، در حالی که در آزمایش، برخوردهای هسته‌ای با انرژی بالا کلید تحقیقات آزمایشگاهی گسترده است. بنابراین، این رشته از نظر فیزیک آماری، ذرات و هسته‌ای، هم از نظر مفهومی و هم در روش‌های بررسی مورد استفاده، در بر می‌گیرد.

این آغازگر آزمایش‌شده در دوره، بیش از همه به بسیاری از دانشمندان جوانی که تحقیقات علمی خود را در این زمینه آغاز کرده‌اند، می‌پردازد و آنها را ارائه می‌دهد. با مقدمه ای کلی و مستقل که به طور خاص بر مفاهیم و ایده های اساسی تأکید دارد، با هدف توضیح اینکه چرا ما کاری را انجام می دهیم.

برای دستیابی به این هدف، متن حاضر عمدتاً بر ترمودینامیک تعادل تمرکز می کند. : ابتدا ایده های بنیادی ترمودینامیک برهمکنش قوی معرفی شده و سپس مفاهیم اصلی و روش های مورد استفاده در مطالعه فیزیک سیستم های پیچیده خلاصه می شود. متعاقباً، تصاویر پدیدارشناختی ساده‌شده، که منجر به رفتار بحرانی در ماده هادرونیک و انتقال فاز هادرون-کوارک می‌شوند، معرفی می‌شوند، و به دنبال آن عناصر QCD شبکه دمای محدود منجر به نتایج مهم به‌دست‌آمده در مطالعات شبیه‌سازی کامپیوتری رویکرد شبکه می‌شوند. سپس، قبل از اینکه متن به مطالعه نمودار فاز QCD بپردازد، رابطه رفتار بحرانی حاصل با شکستن/بازیابی تقارن در QCD روشن می‌شود. ارائه ترمودینامیک تعادل توده ای با مطالعه خواص پلاسمای کوارک-گلوئون به عنوان حالت جدیدی از ماده با تعامل قوی تکمیل می شود. فصل‌های پایانی کتاب به موضوعات خاص‌تری اختصاص داده شده است که وقتی برخوردهای هسته‌ای به عنوان ابزاری برای مطالعه تجربی ترمودینامیک QCD در نظر گرفته می‌شوند، به وجود می‌آیند.

The thermodynamics of strongly interacting matter has become a profound and challenging area of modern physics, both in theory and in experiment. Statistical quantum chromodynamics, through analytical as well as numerical studies, provides the main theoretical tool, while in experiment, high-energy nuclear collisions are the key for extensive laboratory investigations. The field therefore straddles statistical, particle and nuclear physics, both conceptually and in the methods of investigation used.

This course-tested primer addresses above all the many young scientists starting their scientific research in this field, providing them with a general, self-contained introduction that emphasizes in particular the basic concepts and ideas, with the aim of explaining why we do what we do.

To achieve this goal, the present text concentrates mainly on equilibrium thermodynamics: first, the fundamental ideas of strong interaction thermodynamics are introduced and then the main concepts and methods used in the study of the physics of complex systems are summarized. Subsequently, simplified phenomenological pictures, leading to critical behavior in hadronic matter and to hadron-quark phase transitions are introduced, followed by elements of finite-temperature lattice QCD leading to the important results obtained in computer simulation studies of the lattice approach. Next, the relation of the resulting critical behavior to symmetry breaking/restoration in QCD is clarified before the text turns to the study of the QCD phase diagram. The presentation of bulk equilibrium thermodynamics is completed by studying the properties of the quark-gluon plasma as new state of strongly interacting matter. The final chapters of the book are devoted to more specific topics which arise when nuclear collisions are considered as a tool for the experimental study of QCD thermodynamics.