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Towards Understanding
QCD Phase Diagram
Lattice and RHIC Experiments

Atsushi Nakamura
in Collaboration with K.Nagata
Lattice QCD at finite temperature and density
20 Jan. 2014 KEK
1 /38
14年1月20日月曜日
QCD Phase Diagram
Very Exciting !

Now it’s time for
Lattice QCD.

But how do
you reveal it?
Please
No Sales-Talk !
14年1月20日月曜日

From Wiki-Pedia “QCD matter”
2
Canonical Partition Functions
Experiments

Lattice QCD
Simulations

3 / 38
14年1月20日月曜日
A few years ago,
Z(µ) =

DU det

(µ)e

SG

Nagata and I were looking for a Reduction formula
for Wilson fermions in a finite density QCD project:

det ˜ = det
Reduction Matrix

Original Fermion Matrix

Rank(det ˜ ) < Rank (det )
Nagata and Nakamura
Phys. Rev. D82 094027 (arXiv:1009.2149)
4
14年1月20日月曜日
Obtained formula has the form of the fugacity
expansion

Z(µ) =

DU

cn

n

e

SG

n

=

Zn

n

n

µ/T

e

Fugacity

Zn : Canonical Partition Function
5
14年1月20日月曜日
Z(µ, T )

Zn (T )

Z(µ, T ) = Tr e
=

If

n|e

ˆ
(H µN )/T

ˆ
(H µN )/T

n

=

n|e

H/T

n

=

Zn (T )
n

µn/T

|n e

µ/T

e

Fugacity
6 /38

14年1月20日月曜日

n

|n
RHIC
(Relativistic Heavy Ion Collider)

7
14年1月20日月曜日
Multiplicity Distribution of RHIC

Wao,
Multiplicity !

Interesting !

It is almost Zn

14年1月20日月曜日
We assume
the Fireballs created in High Energy
Nuclear Collisons are described as
a Statistical System.
with µ (chemical Potential)
and T (Temperature)

Z(µ, T )

Grand Canonical
partition function

All QCD Phase
Information is
in Z(µ, T )
14年1月20日月曜日
Experiment

Partition Function is
Sum of the Probabilities
with n ...
If I know , then I have Zn.

number

10 /38

14年1月20日月曜日
How can we extract Zn
n
from Pn = Zn ?
Observables in
Experiments

Experiment

unknown

We require (Particle-AntiParticle Symmetry)

Z+n = Z
14年1月20日月曜日

n
From
Experiment
= 1.0

Z

Zn

n

= 1.4

Z

= 1.2

= 1.5

Zn

Z

n

n
Zn

n

n

12 /38
14年1月20日月曜日

Zn

n

07:12-08:05

n

n

Z

Final Value

= 1.534
Experiment

Demand Z+n = Z n

sqrt(s)=62.4

1

Fit

0.1

0.01

0.001

P-n

sqrt(s)=62.4

1

Pn
P-n

Pn

0.01

Zn
Z-n

Z-n

Zn

0.0001

0.0001

1e-06

1e-05
1e-08

1e-06

1e-07
-20

14年1月20日月曜日

-15

-10

-5

n

0

5

10

15

20

1e-10
-20

-15

-10

-5

0

5

10

Net proton number

15

20
Fitted
are very consistent with
those by Freeze-out Analysis.

12

Chemical Freeze-Out

x This work
Freeze-out

10

ξ

8
6
4
2
0

µ/T

e
14年1月20日月曜日

0

50

100
1/2
sNN

150

200

J.Cleymans,
H.Oeschler,
K.Redlich and
S.Wheaton
Phys. Rev. C73,
034905 (2006)
Zn from RHIC data
s = 19.6GeV

s = 27GeV

s = 39GeV

1

0.01

1

'Zn_27'

'Zn_19.6'

0.0001

0.01

0.0001

1e-06

1e-06

1e-08

1e-08

1e-10

1e-10

1e-12

'Zn_39'

0.01

0.0001

1e-06

Experiment

1e-12

1e-08

1e-10

1e-12

1e-14

1e-16

1e-18
-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

1e-14
-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

25

1e-14
-25

-20

-15

-10

-5

0

5

s = 200GeV

s = 62.4GeV
0.1

20

1

'Zn_62.4'

'Zn_200'

0.01

0.1
0.001

0.01
0.0001

0.001

1e-05

1e-06

0.0001

1e-07

1e-05
1e-08

1e-06

1e-09

1e-10
-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

15 /38
14年1月20日月曜日

1e-07
-15

-10

-5

0

5

10

15

10

15

20

25
Now we have Zn of RHIC data
(sqrt(s)= 10.5,19.6, 27, 39, 62.4, 200 GeV)
Wao ! We can calculate
at any density !
This includes all QCD Phase
information !

T

µ/T
14年1月20日月曜日

(

µ/T

e

)
Do not forget that your n is finite !

I need cooling down

14年1月20日月曜日
Moments

k

14年1月20日月曜日

⌘

✓

@
T
@µ

◆k

k

log Z
What happens ?

0.6

Number Susceptibility

p

if we increase
these points 15%
if we drop
these points
s = 27GeV

Number Susceptibility
Usually we
=27 GeV
consider
(only) here.

0.55
0.5

freeze-out point

1

4

0.8

2

0.6
0.4

0.45

=19.6 GeV

0.2

0.4
0.35

1.2

freeze-out point
0.7

14年1月20日月曜日

0.8

0.9

1

1.1

/T

1.2

1.3

0

1.4

1.5

-0.2

1

1.1

1.2

1.3

/T

1.4

1.5

1.6
Susceptivility
Number Susceptibility, sNN1/2=19.6
0.6

Number Susceptibility, sNN1/2=27
0.6

freeze-out point

0.55

0.55

0.5

0.5

0.45

0.45

0.4
0.35

freeze-out point

0.4
1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7 0.35

µ/T

0.7

0.8

0.9

Number Susceptibility, sNN1/2=39
0.65

freeze-out point

0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.5

0.6

0.7

0.8

0.9
1
1.1
µ/T 0.65

1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
µ/T
Number Susceptibility, sNN1/2=62.4

0.6
freeze-out point
0.58
0.56
0.54
0.52
0.5
0.48
0.46
0.44
0.42
0.4
0.38
1/2
=200
1.2 Number Susceptibility, sNN 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
1.3 1.4
µ/T
freeze-out point

0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
14年1月20日月曜日

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 0.6
µ/T

0.7

0.8

0.9

1

0.8

0.9

1

1.1
Kurtosis
R42, sNN1/2=19.6

R42, sNN1/2=27
1.5

freeze-out point

1

freeze-out point

1.4
1.3

0.5

1.2
1.1

0

1

Usually we
consider (only) here.

-0.5
-1

0.9

1

1.05

1.1

1.15

1.2
µ/T

1.25

1.3

0.8
0.7
1.35

1.4

0.6

R42, sNN1/2=39
2.2
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4

0.86

0.88

0.9

0.92 0.94
µ/T

0.96

0.98

1

R42, sNN1/2=62.4
1.1

freeze-out point

R42, sNN1/2=200
1.2

freeze-out point

1

1

0.9

freeze-out point

0.8

0.8

0.6

0.7

0.4

0.6
0.2
0.5

0.6

0.7

0.8
µ/T

14年1月20日月曜日

0.9

1

0.5
0.35

0.4

0.45

0.5
µ/T

0.55

0.6

0.65

0.1

0.15

0.2

0.25
0.3
µ/T

0.35

0.4

0.45
Multiplicity tells us

Not only Freeze
-out points

Information of
wider regions
Nmax →large
Wider
14年1月20日月曜日

22
Lee-Yang Zeros

23
14年1月20日月曜日
Lee-Yang Zeros

(1952)

Zeros of Z( ) in Complex Fugacity Plane.

Z(↵k ) = 0
Great Idea to investigate
a Statistical System
x
x
x
x
x
x

24 /38
14年1月20日月曜日

Phase Transition
Lee-Yang Zeros
Non-trivial to obtain.
But once they are got, it is easy to figure
out the Free-energy

Z( , T ) = e

F/T

Lee-Yang zeros

2-d Electro-Magnetic

F: Free-energy

F: Potential
k :Point charge

k : zeros

25
14年1月20日月曜日
’out’

20
15
10
5
0
-5
-10

1

-1

0.5

-0.5

0

0
0.5

F( ) =

1 -1

log(
k
26

14年1月20日月曜日

-0.5

k)
cut Baum-Kuchen (cBK) Algorithm

and

1

1

i

50 - 100 number
of significant digits
14年1月20日月曜日

27/38

(

 Number of
Zeros in
Contour C

)

A Coutour is cut into
four pieces
if there are zeros inside.
Is this my
Original ?

I donot
think so.
Let us wait
until someone
claims.

28
14年1月20日月曜日
Is this my
Original ?

I donot
think so.
Let us wait
until someone
claims.

28
14年1月20日月曜日

It’s me !

Riemann (1826 - 1866)
Experiment

Lee-Yang Zeros: RHIC Experiments
cos(t), cos(t),sin(t)
’plotXY11.5’

1

1/2

=19.6

0

-1

-0.5

0

sNN

1

0.5

1/2

-0.5

-1

-1

-1

1

-1

=39

-0.5

0
Re[ξB]

sNN

1

0.5

1/2

1

-1

=62.4

0

sNN

1/2

0.5

1

=200

0

-0.5

-0.5

-0.5

-1

-1

-1

-1

14年1月20日月曜日

0
Re[ξB]

0.5
Im[ξB]

0

-0.5

1

0.5
Im[ξB]

0.5

=27

0

-0.5

-0.5

1/2

0.5
Im[ξB]

Im[ξB]

0

sNN

1

0.5

0.5

Im[ξB]

sNN

1

-0.5

0
Re[ξB]

0.5

1

-1

-0.5

29/40

0
Re[ξB]

0.5

1

-1

-0.5

0
Re[ξB]

0.5

1
sNN

1

1/2

=200

Im[ξB]

0.5
0
-0.5
-1
-1
14年1月20日月曜日

-0.5

0
Re[ξB]
30

0.5

1
Lee-Yang Zeros
Lattice QCD
Z( ) =
1

Z3m
m

T/Tc=0.99

Zn = 0

Im[ξ]

0.5
0

Periodicity

-0.5
-1
-1

-0.5

0
Re[ξ]

0.5

1

= 1.85
T /Tc

0.99
31 /38

14年1月20日月曜日

3m

unless
2
=
3

(

n = 3m

= ei

)
T/Tc=0.99

1

Im[ξ]

0.5
0

= 1.85

0.99

= 1.87

T /Tc

1.01

= 1.89

-0.5

T /Tc

T /Tc

1.04

-1
-1

-0.5

0
Re[ξ]

0.5

1

'./plotXY_B1870'
cos(t), sin(t)

1

0.5

0

-0.5

-1

-1

-0.5

0

0.5

1

'./plotXY_B1890'
cos(t), sin(t)

1

0.5

0

-0.5

-1

-1

14年1月20日月曜日

-0.5

0

0.5

1

32 /38
Lee-Yang Zeros
Lattice QCD

1

T/Tc=1.20

⇠=e

Im[ξ]

0.5

⇠
Imaginary µ

The Unit Cirle in

0
-0.5
-1
-1

-0.5

0
Re[ξ]

T /Tc

0.5

Roberge-Weise
Transition !

1

1.20

(
33 /38

14年1月20日月曜日

µ/T

µ/T

e

)
q
1

B

=

T/T =1.08
c

B

q

q

3

Im[ q]

0.5
0

-0.5
3

-1

10 4
3
8 4
-1

14年1月20日月曜日

3

-0.5

0
Re[ q]

0.5

1

10 4

-1
34 /38

-0.5

0
Re[

B]

0.5

1
A Message to Experimentalists
In the Lee-Yang Diagram constructed
from your multiplicity,
Zeros
here

No Roberge-Weise
Transition
14年1月20日月曜日

q

B

Your Temperature
35 /38

T

TRW

1.2Tc
Lee-Yang Zeros: RHIC Experiments

sNN

1

1/2

=19.6

1/2

=27

0

=39

0

-0.5

-0.5

-0.5

-1

-1

-1

-1

-0.5

0
Re[ξB]

0.5

1

-1

sNN

1

1/2

-0.5

0
Re[ξB]

=62.4

1

-1

sNN

1/2

-0.5

=200

0.5
Im[ξB]

Im[ξB]

0.5

1

0.5
0

0

-0.5

-0.5

-1

-1
-1

14年1月20日月曜日

1/2

0.5
Im[ξB]

0

sNN

1

0.5
Im[ξB]

0.5
Im[ξB]

sNN

1

-0.5

0
Re[ξB]

0.5

1

36/38

-1

-0.5

0
Re[ξB]

0.5

1

0
Re[ξB]

0.5

1
Effects of Nmax
Kim’s Model
In Confinement
Z(µq ) = I0 +

3
(⇠q

+ ⇠q

3

6
+(⇠q + ⇠q 6 )I2 + · · ·
)I1
Ik :Modified Bessel

Lesson from the
Model
Nmax

Large

Lee Yang Zeros
Large |µ| regions
It should be so!

14年1月20日月曜日

37
Summary
Grand-Partition functions, Z(µ, T ) , provide us the QCD
phase information, which can be constructed from Zn .
Lattice QCD can calculate Zn

But we need much more works to obtain reliable

Experiments provide us the multiplicities
We can calculate Zn from them.
Present data are those of net-proton, which are not conserved quantities.
Either correction, or ask experimentalists to measure net-baryon
Charge multiplicity is a conserved quantity, and another probe.
Large Nmax are wanted, but even finite Nmax data give us the lower bound.

Lee-Yang zeros provide us a new tool of the QCD phase
study.
They are sensitive to the data, i.e., they teach us which regions are important.
38
14年1月20日月曜日
Backup Slide

39
14年1月20日月曜日
BES(Beem Energy Scan)

14年1月20日月曜日
Hunting the QCD Phase
Transition Regions
Find Rooms where No Criminal.
The Target is in other Room.

Not here ! Then, ..

14年1月20日月曜日

Lower Bound
0.17
Temperature (GeV)

200
62.4

39
27

0.16

0.150
14年1月20日月曜日

19.6
Freeze-out Point
Lower bound determined by susceptivility
Lower bound determined by negative Kurtosis
Phase Transition Regions estimated by
Lee-Yang Zero distribution

0.1
0.2
0.3
Chemical Potential

0.4
(GeV)

0.5
Other Messages
Net proton multiplicity is Not a conserved
quantity.
Baryon multiplicity is perfect
Can you estimate Baryon multiplicity from that of
Proton ?
Another conserved quantity is the Charge
multiplicity. It should work as well.

43
14年1月20日月曜日
You have a Big Chance to find
QCD phase Transition !

44 /40
14年1月20日月曜日
Canonical Partition Functions
is a Bridge
between Two Approaches
to Study QCD Phase
Lattice QCD
Simulaitions

Experiments

45 /40
14年1月20日月曜日
Lattice QCD
Canonical Approach
Miller and Redlich
Phys. Rev. D35 (1987) 2524

A.Hasenfratz and Toussaint
Nucl. Phys.B371 (1992) 539

Barbour and Bell
Nucl. Phys. B372 (1992) 385

Engels, Kaczmarek, Karsch and Laermann
Nucl.Phys. B558 (1999) 307

deForcrand and Kratochvila
Nucl. Phys. B (P.S.) 153 (2006) 62 (hep-lat/0602024)

A.Li, Meng, Alexandru, K-F. Liu
PoS LAT2008:032 and 178
Phys.Rev. D82(2010) 054502, D84 (2011) 071503

Danzer and Gattringer
arXiv:1204-1020 Europian Journal
46 /40

14年1月20日月曜日

Lattice
Lattice: How to Calculate

Fugacity Expansion
Nagata and A. Nakamura,
Phys. Rev. D82 (2010) 094027
Alexandru and Wenger,
Phys.Rev.D83 (2011) 034502
47 /40
14年1月20日月曜日

Lattice
Four Excuses why not Baryon
Multiplicities
1. This is a formulation. Let’s wait until
Experimentalists measure Baryon multiplicities
2. After the Freeze-out, the proton number is
essentially constant.
3. Expect the proton multiplicity is similar to the
baryon multiplicity
4. By some event generators or models, let us
calculate the proton and baryon multiplicity.
From that data, we can estimate the baryon
multiplicity.
48
14年1月20日月曜日
Lattice

=

DU (

an

=

DU (

=

n

n

)(det (0))
an

Zn

)(det (0))

DU an (det (0))
n

49 /40
14年1月20日月曜日

e

SG

Nf

Nf

n

ZGC (µ) =

n

Nf

e

e

SG

SG
Lattice

Zn from lattice QCD
1e-16

'Zn1850-orig'

1e-17
'Zn1850-orig'

1

1

1e-10

1e-20

1e-18
1e-20

1e-40

1e-30
1e-60

1e-40

1e-19

1e-80

1e-50
1e-100

1e-60
1e-120

1e-20

1e-70

15

16

17

18

19

20

m=3n

1e-140

1e-80
1e-160
-60

-40

-20

0
m=3n

20

40

60

1e-90
-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Im(Zn ) are

used
as an error

50

m=3n

'Zn1900-orig'

'Zn1950-orig'

1

1

1e-05

'Zn2000-orig'
1

1e-05

1e-10

1e-10

1e-10
1e-20

1e-15

1e-15
1e-30

1e-20

1e-25

1e-20

1e-25

1e-40

1e-30

1e-30
1e-50

1e-35

1e-40
-30

1e-35

-20

-10

0

m=3n

10

20

30

1e-60
-40

-30

-20

-10

0

10

m=3n

50 /40
14年1月20日月曜日

20

30

40

1e-40
-30

-20

-10

0

m=3n

10

20

30
A Strange Fact
There are Lee-Yang Zeros on
the unit circle.
Theoretically, a bit annoying.
Phenomenologically, very
natural
51 /40
14年1月20日月曜日
Z(µ) =

det

(mf , µf )e

SG

f

det

(m, µ) is REAL

if µ is pure Imaginary.
On the unit circle in complex

plane.

( =e

µ/T

52
14年1月20日月曜日

)
det

(m, µ) is REAL and Positive,

if µ is pure Imaginary
and m is sufficiently large.

Z(µN ) =

det (Nucleon)e

SG

>0

Lee-Yang zeros on the unit circle tell us
that Nucleon is a composite.
53
14年1月20日月曜日
Current lattice QCD simulations assumes
mu = m d
Z(µN ) =

2

(det (mq , µq ))

det (ms , µs ) · · · e

Z(µN ) can not take zero.

54
14年1月20日月曜日

SG
mu > md
µp = 2µu + µd

Pure imaginary µp does not mean
µu and µd

are pure imaginary.

55
14年1月20日月曜日

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Kek2014 v2

  • 1. Towards Understanding QCD Phase Diagram Lattice and RHIC Experiments Atsushi Nakamura in Collaboration with K.Nagata Lattice QCD at finite temperature and density 20 Jan. 2014 KEK 1 /38 14年1月20日月曜日
  • 2. QCD Phase Diagram Very Exciting ! Now it’s time for Lattice QCD. But how do you reveal it? Please No Sales-Talk ! 14年1月20日月曜日 From Wiki-Pedia “QCD matter” 2
  • 3. Canonical Partition Functions Experiments Lattice QCD Simulations 3 / 38 14年1月20日月曜日
  • 4. A few years ago, Z(µ) = DU det (µ)e SG Nagata and I were looking for a Reduction formula for Wilson fermions in a finite density QCD project: det ˜ = det Reduction Matrix Original Fermion Matrix Rank(det ˜ ) < Rank (det ) Nagata and Nakamura Phys. Rev. D82 094027 (arXiv:1009.2149) 4 14年1月20日月曜日
  • 5. Obtained formula has the form of the fugacity expansion Z(µ) = DU cn n e SG n = Zn n n µ/T e Fugacity Zn : Canonical Partition Function 5 14年1月20日月曜日
  • 6. Z(µ, T ) Zn (T ) Z(µ, T ) = Tr e = If n|e ˆ (H µN )/T ˆ (H µN )/T n = n|e H/T n = Zn (T ) n µn/T |n e µ/T e Fugacity 6 /38 14年1月20日月曜日 n |n
  • 7. RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) 7 14年1月20日月曜日
  • 8. Multiplicity Distribution of RHIC Wao, Multiplicity ! Interesting ! It is almost Zn 14年1月20日月曜日
  • 9. We assume the Fireballs created in High Energy Nuclear Collisons are described as a Statistical System. with µ (chemical Potential) and T (Temperature) Z(µ, T ) Grand Canonical partition function All QCD Phase Information is in Z(µ, T ) 14年1月20日月曜日
  • 10. Experiment Partition Function is Sum of the Probabilities with n ... If I know , then I have Zn. number 10 /38 14年1月20日月曜日
  • 11. How can we extract Zn n from Pn = Zn ? Observables in Experiments Experiment unknown We require (Particle-AntiParticle Symmetry) Z+n = Z 14年1月20日月曜日 n
  • 12. From Experiment = 1.0 Z Zn n = 1.4 Z = 1.2 = 1.5 Zn Z n n Zn n n 12 /38 14年1月20日月曜日 Zn n 07:12-08:05 n n Z Final Value = 1.534
  • 13. Experiment Demand Z+n = Z n sqrt(s)=62.4 1 Fit 0.1 0.01 0.001 P-n sqrt(s)=62.4 1 Pn P-n Pn 0.01 Zn Z-n Z-n Zn 0.0001 0.0001 1e-06 1e-05 1e-08 1e-06 1e-07 -20 14年1月20日月曜日 -15 -10 -5 n 0 5 10 15 20 1e-10 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Net proton number 15 20
  • 14. Fitted are very consistent with those by Freeze-out Analysis. 12 Chemical Freeze-Out x This work Freeze-out 10 ξ 8 6 4 2 0 µ/T e 14年1月20日月曜日 0 50 100 1/2 sNN 150 200 J.Cleymans, H.Oeschler, K.Redlich and S.Wheaton Phys. Rev. C73, 034905 (2006)
  • 15. Zn from RHIC data s = 19.6GeV s = 27GeV s = 39GeV 1 0.01 1 'Zn_27' 'Zn_19.6' 0.0001 0.01 0.0001 1e-06 1e-06 1e-08 1e-08 1e-10 1e-10 1e-12 'Zn_39' 0.01 0.0001 1e-06 Experiment 1e-12 1e-08 1e-10 1e-12 1e-14 1e-16 1e-18 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 1e-14 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 25 1e-14 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 s = 200GeV s = 62.4GeV 0.1 20 1 'Zn_62.4' 'Zn_200' 0.01 0.1 0.001 0.01 0.0001 0.001 1e-05 1e-06 0.0001 1e-07 1e-05 1e-08 1e-06 1e-09 1e-10 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 15 /38 14年1月20日月曜日 1e-07 -15 -10 -5 0 5 10 15 10 15 20 25
  • 16. Now we have Zn of RHIC data (sqrt(s)= 10.5,19.6, 27, 39, 62.4, 200 GeV) Wao ! We can calculate at any density ! This includes all QCD Phase information ! T µ/T 14年1月20日月曜日 ( µ/T e )
  • 17. Do not forget that your n is finite ! I need cooling down 14年1月20日月曜日
  • 19. What happens ? 0.6 Number Susceptibility p if we increase these points 15% if we drop these points s = 27GeV Number Susceptibility Usually we =27 GeV consider (only) here. 0.55 0.5 freeze-out point 1 4 0.8 2 0.6 0.4 0.45 =19.6 GeV 0.2 0.4 0.35 1.2 freeze-out point 0.7 14年1月20日月曜日 0.8 0.9 1 1.1 /T 1.2 1.3 0 1.4 1.5 -0.2 1 1.1 1.2 1.3 /T 1.4 1.5 1.6
  • 20. Susceptivility Number Susceptibility, sNN1/2=19.6 0.6 Number Susceptibility, sNN1/2=27 0.6 freeze-out point 0.55 0.55 0.5 0.5 0.45 0.45 0.4 0.35 freeze-out point 0.4 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 0.35 µ/T 0.7 0.8 0.9 Number Susceptibility, sNN1/2=39 0.65 freeze-out point 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 µ/T 0.65 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 µ/T Number Susceptibility, sNN1/2=62.4 0.6 freeze-out point 0.58 0.56 0.54 0.52 0.5 0.48 0.46 0.44 0.42 0.4 0.38 1/2 =200 1.2 Number Susceptibility, sNN 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1.3 1.4 µ/T freeze-out point 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 14年1月20日月曜日 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 µ/T 0.7 0.8 0.9 1 0.8 0.9 1 1.1
  • 21. Kurtosis R42, sNN1/2=19.6 R42, sNN1/2=27 1.5 freeze-out point 1 freeze-out point 1.4 1.3 0.5 1.2 1.1 0 1 Usually we consider (only) here. -0.5 -1 0.9 1 1.05 1.1 1.15 1.2 µ/T 1.25 1.3 0.8 0.7 1.35 1.4 0.6 R42, sNN1/2=39 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.86 0.88 0.9 0.92 0.94 µ/T 0.96 0.98 1 R42, sNN1/2=62.4 1.1 freeze-out point R42, sNN1/2=200 1.2 freeze-out point 1 1 0.9 freeze-out point 0.8 0.8 0.6 0.7 0.4 0.6 0.2 0.5 0.6 0.7 0.8 µ/T 14年1月20日月曜日 0.9 1 0.5 0.35 0.4 0.45 0.5 µ/T 0.55 0.6 0.65 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 µ/T 0.35 0.4 0.45
  • 22. Multiplicity tells us Not only Freeze -out points Information of wider regions Nmax →large Wider 14年1月20日月曜日 22
  • 24. Lee-Yang Zeros (1952) Zeros of Z( ) in Complex Fugacity Plane. Z(↵k ) = 0 Great Idea to investigate a Statistical System x x x x x x 24 /38 14年1月20日月曜日 Phase Transition
  • 25. Lee-Yang Zeros Non-trivial to obtain. But once they are got, it is easy to figure out the Free-energy Z( , T ) = e F/T Lee-Yang zeros 2-d Electro-Magnetic F: Free-energy F: Potential k :Point charge k : zeros 25 14年1月20日月曜日
  • 26. ’out’ 20 15 10 5 0 -5 -10 1 -1 0.5 -0.5 0 0 0.5 F( ) = 1 -1 log( k 26 14年1月20日月曜日 -0.5 k)
  • 27. cut Baum-Kuchen (cBK) Algorithm and 1 1 i 50 - 100 number of significant digits 14年1月20日月曜日 27/38 (  Number of Zeros in Contour C ) A Coutour is cut into four pieces if there are zeros inside.
  • 28. Is this my Original ? I donot think so. Let us wait until someone claims. 28 14年1月20日月曜日
  • 29. Is this my Original ? I donot think so. Let us wait until someone claims. 28 14年1月20日月曜日 It’s me ! Riemann (1826 - 1866)
  • 30. Experiment Lee-Yang Zeros: RHIC Experiments cos(t), cos(t),sin(t) ’plotXY11.5’ 1 1/2 =19.6 0 -1 -0.5 0 sNN 1 0.5 1/2 -0.5 -1 -1 -1 1 -1 =39 -0.5 0 Re[ξB] sNN 1 0.5 1/2 1 -1 =62.4 0 sNN 1/2 0.5 1 =200 0 -0.5 -0.5 -0.5 -1 -1 -1 -1 14年1月20日月曜日 0 Re[ξB] 0.5 Im[ξB] 0 -0.5 1 0.5 Im[ξB] 0.5 =27 0 -0.5 -0.5 1/2 0.5 Im[ξB] Im[ξB] 0 sNN 1 0.5 0.5 Im[ξB] sNN 1 -0.5 0 Re[ξB] 0.5 1 -1 -0.5 29/40 0 Re[ξB] 0.5 1 -1 -0.5 0 Re[ξB] 0.5 1
  • 32. Lee-Yang Zeros Lattice QCD Z( ) = 1 Z3m m T/Tc=0.99 Zn = 0 Im[ξ] 0.5 0 Periodicity -0.5 -1 -1 -0.5 0 Re[ξ] 0.5 1 = 1.85 T /Tc 0.99 31 /38 14年1月20日月曜日 3m unless 2 = 3 ( n = 3m = ei )
  • 33. T/Tc=0.99 1 Im[ξ] 0.5 0 = 1.85 0.99 = 1.87 T /Tc 1.01 = 1.89 -0.5 T /Tc T /Tc 1.04 -1 -1 -0.5 0 Re[ξ] 0.5 1 './plotXY_B1870' cos(t), sin(t) 1 0.5 0 -0.5 -1 -1 -0.5 0 0.5 1 './plotXY_B1890' cos(t), sin(t) 1 0.5 0 -0.5 -1 -1 14年1月20日月曜日 -0.5 0 0.5 1 32 /38
  • 34. Lee-Yang Zeros Lattice QCD 1 T/Tc=1.20 ⇠=e Im[ξ] 0.5 ⇠ Imaginary µ The Unit Cirle in 0 -0.5 -1 -1 -0.5 0 Re[ξ] T /Tc 0.5 Roberge-Weise Transition ! 1 1.20 ( 33 /38 14年1月20日月曜日 µ/T µ/T e )
  • 35. q 1 B = T/T =1.08 c B q q 3 Im[ q] 0.5 0 -0.5 3 -1 10 4 3 8 4 -1 14年1月20日月曜日 3 -0.5 0 Re[ q] 0.5 1 10 4 -1 34 /38 -0.5 0 Re[ B] 0.5 1
  • 36. A Message to Experimentalists In the Lee-Yang Diagram constructed from your multiplicity, Zeros here No Roberge-Weise Transition 14年1月20日月曜日 q B Your Temperature 35 /38 T TRW 1.2Tc
  • 37. Lee-Yang Zeros: RHIC Experiments sNN 1 1/2 =19.6 1/2 =27 0 =39 0 -0.5 -0.5 -0.5 -1 -1 -1 -1 -0.5 0 Re[ξB] 0.5 1 -1 sNN 1 1/2 -0.5 0 Re[ξB] =62.4 1 -1 sNN 1/2 -0.5 =200 0.5 Im[ξB] Im[ξB] 0.5 1 0.5 0 0 -0.5 -0.5 -1 -1 -1 14年1月20日月曜日 1/2 0.5 Im[ξB] 0 sNN 1 0.5 Im[ξB] 0.5 Im[ξB] sNN 1 -0.5 0 Re[ξB] 0.5 1 36/38 -1 -0.5 0 Re[ξB] 0.5 1 0 Re[ξB] 0.5 1
  • 38. Effects of Nmax Kim’s Model In Confinement Z(µq ) = I0 + 3 (⇠q + ⇠q 3 6 +(⇠q + ⇠q 6 )I2 + · · · )I1 Ik :Modified Bessel Lesson from the Model Nmax Large Lee Yang Zeros Large |µ| regions It should be so! 14年1月20日月曜日 37
  • 39. Summary Grand-Partition functions, Z(µ, T ) , provide us the QCD phase information, which can be constructed from Zn . Lattice QCD can calculate Zn But we need much more works to obtain reliable Experiments provide us the multiplicities We can calculate Zn from them. Present data are those of net-proton, which are not conserved quantities. Either correction, or ask experimentalists to measure net-baryon Charge multiplicity is a conserved quantity, and another probe. Large Nmax are wanted, but even finite Nmax data give us the lower bound. Lee-Yang zeros provide us a new tool of the QCD phase study. They are sensitive to the data, i.e., they teach us which regions are important. 38 14年1月20日月曜日
  • 42. Hunting the QCD Phase Transition Regions Find Rooms where No Criminal. The Target is in other Room. Not here ! Then, .. 14年1月20日月曜日 Lower Bound
  • 43. 0.17 Temperature (GeV) 200 62.4 39 27 0.16 0.150 14年1月20日月曜日 19.6 Freeze-out Point Lower bound determined by susceptivility Lower bound determined by negative Kurtosis Phase Transition Regions estimated by Lee-Yang Zero distribution 0.1 0.2 0.3 Chemical Potential 0.4 (GeV) 0.5
  • 44. Other Messages Net proton multiplicity is Not a conserved quantity. Baryon multiplicity is perfect Can you estimate Baryon multiplicity from that of Proton ? Another conserved quantity is the Charge multiplicity. It should work as well. 43 14年1月20日月曜日
  • 45. You have a Big Chance to find QCD phase Transition ! 44 /40 14年1月20日月曜日
  • 46. Canonical Partition Functions is a Bridge between Two Approaches to Study QCD Phase Lattice QCD Simulaitions Experiments 45 /40 14年1月20日月曜日
  • 47. Lattice QCD Canonical Approach Miller and Redlich Phys. Rev. D35 (1987) 2524 A.Hasenfratz and Toussaint Nucl. Phys.B371 (1992) 539 Barbour and Bell Nucl. Phys. B372 (1992) 385 Engels, Kaczmarek, Karsch and Laermann Nucl.Phys. B558 (1999) 307 deForcrand and Kratochvila Nucl. Phys. B (P.S.) 153 (2006) 62 (hep-lat/0602024) A.Li, Meng, Alexandru, K-F. Liu PoS LAT2008:032 and 178 Phys.Rev. D82(2010) 054502, D84 (2011) 071503 Danzer and Gattringer arXiv:1204-1020 Europian Journal 46 /40 14年1月20日月曜日 Lattice
  • 48. Lattice: How to Calculate Fugacity Expansion Nagata and A. Nakamura, Phys. Rev. D82 (2010) 094027 Alexandru and Wenger, Phys.Rev.D83 (2011) 034502 47 /40 14年1月20日月曜日 Lattice
  • 49. Four Excuses why not Baryon Multiplicities 1. This is a formulation. Let’s wait until Experimentalists measure Baryon multiplicities 2. After the Freeze-out, the proton number is essentially constant. 3. Expect the proton multiplicity is similar to the baryon multiplicity 4. By some event generators or models, let us calculate the proton and baryon multiplicity. From that data, we can estimate the baryon multiplicity. 48 14年1月20日月曜日
  • 50. Lattice = DU ( an = DU ( = n n )(det (0)) an Zn )(det (0)) DU an (det (0)) n 49 /40 14年1月20日月曜日 e SG Nf Nf n ZGC (µ) = n Nf e e SG SG
  • 51. Lattice Zn from lattice QCD 1e-16 'Zn1850-orig' 1e-17 'Zn1850-orig' 1 1 1e-10 1e-20 1e-18 1e-20 1e-40 1e-30 1e-60 1e-40 1e-19 1e-80 1e-50 1e-100 1e-60 1e-120 1e-20 1e-70 15 16 17 18 19 20 m=3n 1e-140 1e-80 1e-160 -60 -40 -20 0 m=3n 20 40 60 1e-90 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 Im(Zn ) are used as an error 50 m=3n 'Zn1900-orig' 'Zn1950-orig' 1 1 1e-05 'Zn2000-orig' 1 1e-05 1e-10 1e-10 1e-10 1e-20 1e-15 1e-15 1e-30 1e-20 1e-25 1e-20 1e-25 1e-40 1e-30 1e-30 1e-50 1e-35 1e-40 -30 1e-35 -20 -10 0 m=3n 10 20 30 1e-60 -40 -30 -20 -10 0 10 m=3n 50 /40 14年1月20日月曜日 20 30 40 1e-40 -30 -20 -10 0 m=3n 10 20 30
  • 52. A Strange Fact There are Lee-Yang Zeros on the unit circle. Theoretically, a bit annoying. Phenomenologically, very natural 51 /40 14年1月20日月曜日
  • 53. Z(µ) = det (mf , µf )e SG f det (m, µ) is REAL if µ is pure Imaginary. On the unit circle in complex plane. ( =e µ/T 52 14年1月20日月曜日 )
  • 54. det (m, µ) is REAL and Positive, if µ is pure Imaginary and m is sufficiently large. Z(µN ) = det (Nucleon)e SG >0 Lee-Yang zeros on the unit circle tell us that Nucleon is a composite. 53 14年1月20日月曜日
  • 55. Current lattice QCD simulations assumes mu = m d Z(µN ) = 2 (det (mq , µq )) det (ms , µs ) · · · e Z(µN ) can not take zero. 54 14年1月20日月曜日 SG
  • 56. mu > md µp = 2µu + µd Pure imaginary µp does not mean µu and µd are pure imaginary. 55 14年1月20日月曜日