[論文レビュー] Constraining free parameters of a color superconducting non-local Nambu-Jona-Lasinio model using Bayesian analysis of neutron stars mass and radius measurements

Mahboubeh Shahrbaf, S. Antić+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、NICERおよび多メッセンジャー neutron star 質量-半径データを用いたベイズ解析により、色超伝導クォーク物質の非局所 Nambu-Jona-Lasinio モデルにおける自由パラメータ (η_V, η_D) を制約する。最適化されたパラメータを用いたハイブリッド状態方程式は、PSR J0740+6620 の半径を再現し、質量-半径図に特異な点の普遍的な列が現れることを明らかにした。高密度領域では音速の平板領域（約0.5）が観察された。

ABSTRACT

We provide a systematic study of hybrid neutron star equations of state (EoS) consisting of a relativistic density functional for the hadronic phase and a covariant nonlocal Nambu--Jona-Lasinio (nlNJL) model to describe the color superconducting quark matter phase. Changing the values of the two free parameters, the dimensionless vector and diquark coupling strengths $η_V$ and $η_D$ results in a set of EoS with varying stiffness and deconfinement onset. The favorable parameters are obtained from a systematic Bayesian analysis for which the multi-messenger constraint on the neutron star radius at $1.4~$M$_\odot$ and the combined mass-radius constraint for PSR J0740+6620 from NICER experiment are used as the constraints. Additionally, the transition from hadronic matter to deconfined quark matter is constrained to occur above nuclear saturation density. Hybrid stars modeled with these favorable parameters are compatible with the NICER results for the radius of the highest known mass neutron star, PSR J0740+6620. Three new observations interesting for neutron star phenomenology are reported: 1) We show that the constant sound speed (CSS) EoS provides an excellent fit to that of the nlNJL model which implies the squared speed of sound at high densities to be about $0.5$ for the optimized parameters; 2) we give a simple functional form for the mapping between the parameter spaces of these two models valid for the whole range of relevant chemical potentials and 3) we observe that the special point property of hybrid EoS based on CSS quark matter generalizes to a set of lines consisting of special points when two EoS parameters are varied instead of one. A lower limit for the maximum mass of hybrid stars as a function of the vector coupling strength is obtained.

研究の動機と目的

• NICER 観測データと組み合わせた neutron star 観測を用いて、色超伝導クォーク物質の非局所 Nambu-Jona-Lasinio モデルにおける自由パラメータ η_V（ベクトル結合定数）および η_D（ダイクォーク結合定数）を制約すること。
• 本モデルに基づくハイブリッド中性子星状態方程式が、PSR J0740+6620 の高質量 (>2 M⊙) および大半径 (>12 km) の制約を同時に満たすかどうかを検証すること。
• 得られた状態方程式の現象論的意味、特に音速の振る舞いと質量-半径関係の構造を調査すること。
• 複数のパラメータを変化させた場合のハイブリッド星状態方程式における特異点行動の普遍性を調査すること。

提案手法

• 相対論的密度汎関数をハドロン相に、共変な非局所 Nambu-Jona-Lasinio (nlNJL) モデルをクォーク物質相に組み合わせることでハイブリッド状態方程式を構築する。
• 次元なし結合定数 η_V と η_D を変化させることで、剛性や脱コンfinement開始密度が異なる状態方程式の族を生成する。
• 観測的制約（1.4 M⊙ 中性子星の半径および NICER 実験による PSR J0740+6620 の質量-半径同時測定）を用いてベイズ推論を実施する。
• ハドロンからクォーク物質への転移が核密度以上で発生するという物理的制約を課す。
• マクスウェル構成を用いてハイブリッド星における相共存を決定し、質量-半径関係を計算する。
• nlNJL 状態方程式を一定音速（CSS）モデルに写像することで、関数的同等性を特定し、M-R 図における特異点構造を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非局所 NJL モデルにおけるベクトル結合定数およびダイクォーク結合定数 (η_V, η_D) のどの値が、NICER による PSR J0740+6620 の観測半径と整合するハイブリッド中性子星状態方程式を生成するか？
• RQ2 最適化されたモデルにおける高密度領域におけるクォーク物質相の音速はどのように振る舞い、一定音速（CSS）近似と一致するか？
• RQ3 η_V と η_D を両方変化させた場合、質量-半径図における特異点の幾何学的構造はどのようなものか？また、普遍的な収束点が存在するか？
• RQ4 特異点現象は、1パラメータから2パラメータの状態方程式族に一般化可能か？ もし可能であれば、その結果得られる直線の関数的形は何か？
• RQ5 ベースとなるハドロン状態方程式の選択に依存しない、観察された特異点構造の頑健性はいかがなものか？

主な発見

• η_V と η_D の最適化されたパラメータは、NICER による PSR J0740+6620 の半径観測と整合するハイブリッド中性子星状態方程式を生成し、高質量中性子星にクォーク物質コアが存在することを支持する。
• 非局所 NJL モデルは高密度領域で音速の二乗が約 0.5 に近い平板領域を示し、これは一定音速（CSS）モデルとよく一致しており、剛性の高いクォーク物質相を示している。
• η_V と η_D を両方変化させた場合、質量-半径図に特異点の列が出現し、すべての特異点直線が普遍的な点 (M_X, R_X) = (1.8663 M⊙, 11.112 km) に収束する。
• 特異点直線は、比 ξ = δη_V / δη_D の線形関数として与えられる傾きを持つ直線族を形成し、最も急な直線は η_V を固定した場合（ξ = 0）に対応し、最大質量シーケンスに近似する。
• 特異点構造は、ハドロン状態方程式の選択に依存せず、より柔らかい DD2p00 モデルを用いた再分析でも同様に確認された。
• μ のべき級数展開に基づく現象論的状態方程式（Alford 擬合）は、CSS モデルと同様の質量-半径挙動を示し、観察された特徴が特定の関数形のアーチファクトではないことを示唆している。