Probing the QCD Phase Diagram via Holographic Models

Abstract

Quantum Chromodynamics (QCD) is the quantum field theory describing strong nuclear interactions. Due to the titular strong nature of these interactions, obtaining reliable predictions from the theory has proven challenging in many physically interesting regions of the phase diagram.

The most well-established current framework for handling strongly coupled, nonperturbative systems is that of lattice simulations. Even this framework has its weaknesses when applied to QCD, however, such as simulating systems where real-time dynamics are relevant or that have non-zero chemical potential. Such cases are found in e.g. the early-time dynamics of heavy-ion collisions and inside neutron stars, respectively. These nonperturbative systems provide us with an ideal testing ground for new methods such as holography.

Holography is an umbrella term for various dualities which connect a quantum field theory with a higher-dimensional theory of quantum gravity. One general property of these dualities is that they map operators in strongly coupled field theories into fields in weakly coupled classical gravity. It therefore seems natural to apply the methods provided by these dualities to the study of strong coupled real-world theories such as QCD. However, there is no known holographic dual for QCD yet, and we must resort to some modeling if we wish to compute predictions via holographic methods.

In this thesis, we apply holographic models of QCD -- namely Improved Holographic QCD and its extension called V-QCD -- in the study of both the thermalization of hot quark-gluon plasma produced in heavy-ion collisions and the structure and astrophysical properties of cold, dense matter in neutron stars. We also provide an introduction to the different facets concerning these applications from the motivation in QCD and the challenges the QCD phase diagram provides to current computational methods, to holography, heavy-ion collision phenomenology and neutron star observations.

Kvanttikromodynamiikka (QCD) on vahvaa ydinvuorovaikutusta kuvaava osa hiukkasfysiikan standardimallia. Teorian kuvaamien vuorovaikutusten vahvuuden vuoksi luotettavien ennusteiden tuottaminen on osoittautunut vaikeaksi monessa fysikaalisesti kiinnostavassa faasidiagrammin alueessa.

Hilasimulaatiot ovat menestyksekkäin menetelmä vahvasti kytkettyjen, ei-perturbatiivisten systeemien tutkimiseen. Ilmeisistä ansioistaan huolimatta hilasimulaatioiden käyttämisellä QCD:n tutkimiseen on kuitenkin rajoitteensa. Nämä rajoitteet tulevat esille, kun systeemien kuvaamisessa on otettava huomioon reaaliaikadynamiikka - kuten on laita raskasionitörmäyksien varhaisissa vaiheissa - tai äärellinen kemiallinen potentiaali - kuten neutronitähtien sisäosia mallintaessa. Mainitut tapaukset tarjoavat ihanteellisen koealustan uusille menetelmille, kuten holografialle.

Holografia on kattotermi vastaavuuksille kvanttikenttäteorioiden ja korkeampiulotteisten kvanttigravitaatioteorioiden välillä. Eräs yleinen ominaisuus näille vastaavuuksille on, että ne kuvaavat vahvasti kytkettyjen kvanttikenttäteorioiden operaattorit vastaavan, heikosti kytketyn gravitaatioteorian kentiksi. On siten luontevaa pyrkiä soveltamaan holografisia vastaavuuksia vahvasti kytkettyjen teorioiden kuten QCD:n tutkimiseen. QCD:tä vastaavaa gravitaatioteoriaa ei kuitenkaan vielä tunneta, joten mikäli holografiaa mielii soveltaa QCD:n tutkimiseen, on turvauduttava mallintamiseen.

Tässä väitöskirjassa sovellamme QCD:n holografisia malleja tutkiaksemme sekä raskasionitörmäyksissä syntyvän kuuman kvarkkigluoniplasman termalisoitumista että neutronitähtien sisällä olevan kylmää, tiheää ainetta. Väitöskirjassa on myös johdanto jokaiseen soveltamisen osa-alueeseen QCD:n perusteista sekä faasidiagrammin tarjoamien haasteiden esittelystä holografiaan, raskasionitörmäysten fenomenologiaan ja neutronitähtien havaittuihin ominaisuuksiin.