Quark-gluon plasma (QGP) is a novel state of matter expected to be realized at ultra-high temperature because of the asymptotic freedom of QCD. In QGP, quarks and gluons are liberated from hadrons and behave as dynamical degrees of freedom. Experimentally, QGP has been and is being produced by the relativistic heavy-ion collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and at the Large Hadron Collider (LHC). Studies on the QGP created in heavy-ion collisions in this decade have revealed its unexpected nature, in particular, its exotic transport property. The most famous and remarkable discovery at RHIC is that the QGP behaves almost as a perfect fluid. Perfect fluidity indicates a strongly interacting nature of the QGP. This discovery was made by the success of the hydrodynamic description of the heavy-ion collision events.

In this thesis, we study transport properties of the QGP by using rare signals, such as heavy quarks and electromagnetic radiations, in heavy-ion collisions. These signals probe transport properties of the QGP. Heavy quarks probe the drag force acting on them caused by the light constituents of the QGP. We describe the dynamics of heavy quarks under the influence of dynamically expanding QGP by means of relativistic Langevin equation combined with a solution of relativistic hydrodynamics that describes heavy-ion collisions.We parameterize the drag force and extract its strength by fitting the single electron spectra with our model calculation. From the fit, we obtain a much stronger drag force than that predicted by weak coupling QCD calculation.

Electromagnetic radiation, in particular dilepton radiation, probes the spectral function of the hot QCD medium. Conventionally, the spectral function at finite temperature is expected to be governed by the in-medium property of vector mesons. However, we show that the spectral functions that simulate standard scenarios proposed so far cannot explain the experimental data of dielectron spectra. We examine a novel possibility that a certain transport property of the plasma dominates the spectral function in the low-frequency and long-wavelength region. We parameterize the spectral function with two transport coefficients: the electric charge diffusion coefficient and the relaxation time for the diffusive electric current.By detailed comparison with the dielectron spectra, we find that a transport theoretical approach to the spectral function is a promising ingredient, although we have not yet reached conclusive understanding of the experimental data.

These studies on the heavy quark drag force and the spectral function for dilepton radiation at RHIC will provide important information on the properties of the QGP at LHC in the near future.

本論文は5章からなる。第1章は、イントロダクションであり、量子色力学(QCD)における様々な相について、及び、相対論的重イオン衝突によるクォーク・グルーオン・プラズマ生成についての概観が述べられている。章の最後には、この学位請求論文の章の構成なども述べられている。

第2章は、重イオン衝突における時間発展についての概略が示されている。アメリカ、ブルックヘブン国立研究所のRelativistic Heavy-ion Collider (RHIC) や欧州、CERNのLarge Hadron Collider (LHC)により、相対論的な重イオン衝突の実験的解明は大きな進歩をとげてきた。特に、クォーク・グルーオン・プラズマでは、完全流体模型が放出粒子の実験データをよく再現することが分かった。それを受けて、本章では、流体的な理論的扱いが導入され、状態方程式なども言及されている。流体模型に基づく時間発展の上に乗っかって次章以降の研究が展開されているので準備として重要な章である。

第3章は、この学位申請論文の大きな柱2本の内の一つである。クォーク・グルーオン・プラズマの輸送的性質に注目し、相対論的重イオン衝突における重いクォークの拡散(diffusion)について述べられている。相対論的重イオン衝突の過程でチャームやボトムのような重いクォークが最初のハードコリジョンで出来、それらが不純物の拡散のようにブラウン運動で拡がっていくプロセスを、相対論的なランジュバン方程式により記述した。ハドロン化過程を経て、相対論的重イオン衝突から出て来る電子のシングル・スペクトルの実験データと理論計算を比較し、それを比較的よく再現する摩擦係数を求めた。得られたものはガンマの値で1~3となって、弱い結合のQCDから予見されるものに比べて、3~10倍とかなり大きくなっており、その解明は今後の重要な課題である。

第4章では、この学位申請論文のもう一つの大きな柱である、相対論的重イオン衝突でのレプトン対の生成(dilepton production)が議論されている。これは電磁的放射に他ならず、クォーク・グルーオン・プラズマにおける電荷ゆらぎとそれで生成される電荷の拡散を反映する。実験データが従来の解釈では説明できないのを確認した上で、低い振動数で長い波長領域のスペクトル関数はある輸送的性質に大きく支配されている可能性を示唆した。電荷の拡散係数と拡散電流の緩和時間という2つの輸送的なパラメーターにより実験で得られたスペクトル関数を表わすことを行った。それにより、求められた値は、拡散係数に関しては、弱結合の描像で得られるものと一致し、緩和時間は強結合の描像のものに近いことが分かった。このような相容れない描像の組み合わせが意味するものが何か、今後の課題であり、クォーク・グルーオン・プラズマのさらなる深い理解へ向けての重要な知見を与えている。

第5章では、以上述べてきたような、まとめと結論が示されている。そこに述べられているように、完全流体模型の計算は共同研究者である平野哲文博士の結果によっているが、それに基づいた以上述べてきた研究は本人によるものである。

本学位申請論文では、クォーク・グルーオン・プラズマに関して輸送的性質に着目し、確立されつつあるようにも見える完全流体模型とは場合によっては異なる要素を示唆しているかもしれない性質を2つ提示している。その意味で、オリジナリティがあり、学術的な価値の高い論文であると言える。審査員全員で、博士(理学)を授与するにふさわしいものである、という判定をした。