[論文レビュー] A new class of hybrid EoS with multiple critical endpoints for simulations of supernovae, neutron stars and their mergers

O. Ivanytskyi, D. Blaschke|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 44被引用数 24

ひとこと要約

本稿は、中性子星におけるハイブリッド状態方程式（EoS）のための新しい二領域補間スキーム（TZIS）を導入し、有限温度効果およびクォーク物質におけるカラースーパーランジングを組み込む。連続的（crossover）および一次相転移（first-order）の両方をモデル化することで、カラースーパーランジングが超新星爆発時の温度上昇を促進し、中性子星合体および高エネルギー衝突実験と関連するQCD相図領域に到達可能であることを示した。

ABSTRACT

We introduce a family of equations of state (EoS) for hybrid neutron star (NS) matter that is obtained by a two-zone parabolic interpolation between a soft hadronic EoS at low densities and a stiff quark matter EoS with color superconductivity at high densities within a finite region of baryonic chemical potentials $\mu_B^h < \mu_B < \mu_B^q$. We consider two scenarios corresponding to a cross-over and a strong first-order transition between quark and hadron phases considered at finite and zero temperatures. This allows us to analyze the effects of finite entropy on the EoS and mass-radius relation of NS. We demonstrate that the formation of a color superconducting state of quark matter drives the evolution of matter in supernovae explosions under the condition of entropy conservation to higher temperatures than in the case of deconfinement to normal quark matter. Within the presented hybrid EoS scenario, regions of the QCD phase diagram may be accessible to supernovae and NS mergers that can be reached also in terrestrial experiments with relativistic heavy ion collisions.

研究の動機と目的

• ハイブリッド中性子星物質のための有限温度拡張版二領域補間スキーム（TZIS）を開発すること。
• カラースーパーランジングが原始中性子星におけるクォーク-バリオン相転移に与える影響を調査すること。
• バリオンあたりの有限エントロピーが原始中性子星の質量-半径関係に与える影響を分析すること。
• 超新星および二重中性子星合体環境が、相対論的高エネルギー衝突実験で観測可能なQCD相図領域に到達可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 低密度では柔ららかなバリオンEoSと、高密度ではカラースーパーランジングを含む硬いクォーク物質EoSを、二領域放物線補間で接続する。
• マッチングライン μc(T) 沿いに調整可能な関数 ∆n[µc(T)] を用いて、相転移を連続的（crossover）または不連続的（first-order）にモデル化する。
• クォーク物質EoSは、スカラー二クォーク対結合を含む閉じ込め密度汎関数法に基づき、2SC相およびカラースーパーランジングを可能にする。
• 有限エントロピー（s/nB）を組み込み、原始中性子星のTOV方程式を解く応用を行う。
• TZISの結果と比較するためのベンチマークとして、マクスウェル構成法を用いる。
• チャーミカル対称性の破れと二クォーク対凝縮の競合による、複数の臨界終点（CEPs）を含む相図を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限温度は、ハイブリッド中性子星物質におけるクォーク-バリオン相転移にどのように影響するか？
• RQ2 カラースーパーランジングは、混合相境界および転移温度の形状にどのような役割を果たすか？
• RQ3 バリオンあたりのエントロピーと温度は、原始中性子星の質量-半径関係にどのように影響するか？
• RQ4 超新星および二重中性子星合体環境は、高エネルギー衝突実験に関連するQCD相図領域に到達可能か？
• RQ5 二領域補間スキームは、QCD相図における臨界終点の位置および性質にどのような影響を与えるか？

主な発見

• クォーク物質におけるカラースーパーランジングは、通常のクォーク物質と比較してクォーク-バリオン相転移温度を上昇させ、原始中性子星の進化をQCD相図のより高温領域へと駆り立てる。
• 一次相転移を伴うTZISは、マクスウェル構成法と比較して、混合相におけるEoSの軟化が顕著になる。これはクォーク物質の体積分率が大きいためである。
• s/nB = 0.5 のとき、TZISおよびマクスウェル構成法の両方で、観測的制約（R1.4 ≤13.6 km および R1.6 ≥10.68 km）を満たす。
• s/nB = 1.0 のとき、一次相転移を伴うマクスウェル構成法のみが制約を満たし、n* = 0.15 fm−3 を用いたTZISは僅かな一致にとどまる。
• s/nB = 1.5 のとき、原始中性子星の半径は顕著に増加し、R1.4 ≃16–17 km に達する。これは低密度におけるエントロピー駆動の強い軟化を示している。
• 本モデルは、チャーミカル対称性の破れと二クォーク対凝縮の競合により、低温度に第二の臨界終点を明らかにし、従来のモデルよりも洗練されたQCD相図構造を可能にする。