[論文レビュー] Density functional approach to quark matter with confinement and color superconductivity

O. Ivanytskyi, D. Blaschke|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 76被引用数 56

ひとこと要約

本論文は、平均場的クォーク自己エネルギーを用いて閉じ込めを組み込み、ディクォーク対合作用を通じて色超伝導性を記述する相対論的密度汎関数法を、クォーク物質に適用する。中性子星のハイブリッド状態方程式を構築し、特定のパラメータ化が2.67 M⊙までのハイブリッド星を支持できることを示しており、GW190814の質量の大きな成分とNICERによるPSR J0740+6620の半径測定結果と整合的である。

ABSTRACT

We present a novel relativistic density-functional approach to modeling quark matter with a mechanism to mimic confinement. The quasiparticle treatment of quarks provides their suppression due to a large quark selfenergy already at the mean-field level. We demonstrate that our approach is equivalent to a chiral quark model with medium-dependent couplings. The dynamical restoration of the chiral symmetry is ensured by construction of the density functional. Supplemented with the vector repulsion and diquark pairing the model is applied to construct a hybrid quark-hadron EoS of cold compact-star matter. We study the connection of such a hybrid EoS with the stellar mass-radius relation and tidal deformability. The model results are compared to various observational constraints including the NICER radius measurement of PSR J0740+6620 and the tidal deformability constraint from GW170817. The model is shown to be consistent with the constraints, still allowing for further improvement by adjusting the vector repulsion and diquark pairing couplings.

研究の動機と目的

• 平均場レベルにおける媒体依存自己エネルギーを用いてクォークの閉じ込めを組み込む相対論的密度汎関数フレームワークの構築。
• 自己整合的密度汎関数形式を用いて、動的なチャーミカル対称性の回復を記述すること。
• ベクトル反発力とディクォーク対合作用を組み込み、冷たいクォーク物質における色超伝導性をモデル化すること。
• コンパクト星物質のハイブリッドクォーク・ハドロン状態方程式（EoS）を構築し、観測的制約との整合性を検証すること。
• モデルがPSR J0740+6620の質量と半径、およびGW170817からの潮汐歪み度を再現できるかどうかを評価し、非常に質量の大きなハイブリッド星の可能性を検討すること。

提案手法

• チャーミカルに対称なクォークバイリニアを相互作用の引数として用い、スカラー、擬スカラー、ベクトル、ディクォーク対合作用を含む相対論的密度汎関数ラグランジアンを定式化する。
• 相互作用ポテンシャルを平均場値の周りで2次までのテイラー展開することで、平均場を超えるメソン相関を含め、正しいπ中間子質量と崩壊定数を保証する。
• ストリング・フリップモデルにインspiredされた閉じ込め平均場ポテンシャルを用い、クォーク自由度を抑制し、閉じ込めを模倣する。
• ポテンシャルの2階微分から導かれる媒体依存有効結合（GSおよびGPS）をスカラーおよび擬スカラーチャンネルに導入する。
• ベクトル相互作用（GV）とディクォーク対合作用（GD）を導入し、それぞれ反発力と色超伝導性をモデル化する。
• 遷移密度でクォーク物質EoSとハドロンEoSをマッチングさせ、ギブズ条件とパスタ相の考慮を加えてハイブリッド状態方程式を構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 閉じ込めと色超伝導性を組み込んだ密度汎関数法が、PSR J0740+6620の観測された質量と半径を再現できるか？
• RQ2 ディクォーク対合作用とベクトル反発力の組み込みが、ハイブリッド中性子星の最大質量にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 モデルがGW170817からの潮汐歪み度制約と整合するハイブリッド状態方程式を生成できるか？
• RQ4 GW190814が示唆する2.5–2.67 M⊙の範囲のハイブリッド星を実現できるモデルのパラメータ化は何か？
• RQ5 動的なチャーミカル対称性の回復が、モデルの熱力学的ポテンシャルおよび媒体依存クォーク質量にどのように現れるか？

主な発見

• 2次展開による密度汎関数の展開により、π中間子質量と崩壊定数を正しく再現でき、QCD真空の実験的性質と整合的である。
• ディクォーク対合作用とベクトル反発力の導入により、状態方程式が硬くなり、質量の大きなハイブリッド星の形成が可能になる。
• モデルの特定のパラメータ化により、最大質量が2.5–2.67 M⊙の範囲にあるハイブリッド星の系列が予測され、GW190814の軽い側成分の推定質量と整合的である。
• モデルのハイブリッド状態方程式は、NICERによるPSR J0740+6620の半径制約を満たしており、予測される半径は11.2–12.5 kmの範囲にある。
• モデルが予測する潮汐歪み度は、GW170817の制約と両立しており、ハイブリッドEoSの妥当性を支持する。
• 本手法は媒体依存結合を有するチャーミカルクォークモデルと同等であり、クーパー対の処理により平均場レベルでクォークの自由度が大きな自己エネルギーによって抑制される。