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作为描述强相互作用基本理论的量子色动力学,有着极其丰富的动力学内容,尤其在低能区具有夸克色禁闭、手征对称性自发破缺、非平庸的真空结构等非微扰现象。尽管这方面的研究已经取得了很大的进展,但相应的动力学机制还不是很清楚,需要进一步的研究。而强相互作用物理过程基本都是在有限温度有限密度下发生的,为了能在高能实验和天文学观测中检验相关理论预言,必须发展有限密度下的量子色动力学,研究有限温度有限密度下强子物质的相互作用、相结构及其相变。在量子场论中,n点薛温格函数尤其是两点函数(即传播子)在刻画系统特性及其动力学特征上起着关键作用。基于量子场论建立强子物质性质与n点函数特别是与夸克传播子之间的联系,为更进一步的研究强相互作用物质提供可操作途径,这是本论文的主线之一。围绕这条主线,我们讨论了手征凝聚、四夸克凝聚、真空磁化率等QCD非微扰性质以及强子物质物态方程。
戴逊.薛温格方程作为非微扰连续场论的有效方法,可以系统的研究夸克色禁闭和手征对称性自发破缺等非微扰现象,同时在强子结构研究中也取得了相当的成功。我们在戴逊—薛温格方法的框架里,发展了计算有限温度有限化学势下夸克传播子的有效方法,并考虑了胶子传播子中夸克圈的影响,基于求得的夸克传播子来研究强相互作用现象,这是本论文的另一条主线.
手征对称性自发破缺是夸克获得较大质量函数、产生Goldstone玻色子的内在机制,如何更好的理解手征对称性破缺是当前量子色动力学的主要研究课题之一。我们以手征凝聚为例,研究了手征对称性的明显破缺效应和动力学破缺效应,发现当流夸克质量变化时它们有着不同的行为,提出了将两者明显分开的一般性方法。在流夸克质量不为零时,一般认为夸克传播子只存在一个解,我们的研究表明即使在流夸克质量不等于零的情况下,夸克传播子仍存在两个解。在手征极限下一个回到“Nambu—Goldstone”解,另一个回到“Wigner”解。这加深了我们对夸克传播子的理解,提供了研究手征相变的方法。
基于整体色对称性模型,我们提出了自洽计算夸克圈插入对胶子传播子修正效应的方法,结果表明夸克圈插入将明显的影响胶子传播子的行为。这为我们提供了在胶子传播子中自洽地引入流夸克质量效应和有限化学势效应的途径,也为我们研究重夸克效应和有限密QCD提供了有用的信息.
通过背景场方法考虑夸克传播子对外场的线性响应,我们得到了计算四夸克凝聚的一般性公式,发现四夸克凝聚和真空磁化率有着内在联系,证明了四夸克凝聚的因子化仅在对所有着衣的顶点取裸顶点近似时才成立。我们在QCD求和规则框架下,得到了模型无关的、严格的真空磁化率的表达式,这与先前忽略了对顶点的非微扰和微扰的着衣效应的磁化率定义不同。这是个普适的方法,可以用来研究其他类型的真空磁化率。
研究有限密度有限温度下强子物质性质,是理论物理、高能物理实验、天体物理以及宇宙学共同关心的课题。我们在彩虹图近似的戴逊-薛温格方法框架下,发展了一套自己的、有效处理小化学势的夸克传播子的方法,给出了有限化学势下夸克传播子与零化学势下夸克传播子的关系,同时改进了数值算法,并推广到了有限温度有限密度的情形,得到了有限温度有限密度下夸克传播子与零密有限温度下的夸克传播子关系。随后在QCD一个简单模型—QED3中研究了费米子临界味数与化学势的依赖关系,又一般性的讨论了有限化学势下费米子—玻色子顶点的一般结构。我们随后又研究了有限温度有限化学势下的物态方程,发现重子数密度完全由夸克传播子决定,并研究了压强密度,发现它由与化学势无关但依赖与温度的常数项和完全由夸克传播子决定的温度和化学势相关项两部分组成.这些研究为更深入的研究有限温度有限化学势下QCD的相结构和相交以及天体物理和宇宙学研究提供了重要方法.本论文受南京大学优秀博士学位论文培育基金资助.