[論文レビュー] Determination of quark-hadron transition from lattice QCD and neutron-star observation

Takahiro Sasaki, Nobutoshi Yasutake+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、低温のμB/Tにおける格子QCDデータと高温のμB/Tにおける中性子星質量観測結果を組み合わせることで、全T–μB平面にわたるQCDクォーク-ハドロン転移線を決定する。クォーク系にはポリakov-拡張Nambu-Jona-Lasinio（PNJL）モデル、ハドロン系には体積効果を考慮したハドロンレゾナントガス（HRG）モデルを用いたハイブリッドモデルを用い、ゼロ温度における臨界バリオン化学ポテンシャルの下限をμB ≈ 1.6 GeVとして特定し、QCD相図における主要な不確実性を解消する。

ABSTRACT

We determine the quark-hadron transition line in the whole region of temperature (T) and baryon-number chemical potential (μ_B) from lattice QCD results and neutron-star mass measurements, making the quark-hadron hybrid model that is consistent with the two solid constraints. The quark part of the hybrid model is the Polyakov-loop extended Nambu-Jona-Lasinio (PNJL) model with entanglement vertex that reproduces lattice QCD results at mu_B/T=0, while the hadron part is the hadron resonance gas model with volume-exclusion effect that reproduces neutron-star mass measurements and the neutron-matter equation of state calculated from two- and three-nucleon forces based on the chiral effective field theory. The lower bound of the critical mu_B of the quark-hadron transition at zero T is mu_B = 1.6 GeV. The interplay between the heavy-ion collision physics around mu_B/T =6 and the neutron-star physics where mu_B/T is infinity is discussed.

研究の動機と目的

• 低温のμB/Tにおける格子QCD制約と高温のμB/Tにおける中性子星質量観測結果を両方満たす一貫性のあるクォーク-ハドロンハイブリッドモデルを構築すること。
• 特にゼロ温度における大きなバリオン化学ポテンシャル領域でのQCD相図の不確実性を解消すること。
• 理論的および観測的制約を統合して、中性子星におけるクォーク-ハドロン転移の臨界μBを特定すること。
• 核物質状態方程式を、チャーリカル有効場理論（Ch-EFT）相互作用と多体理論を用いて検証すること。

提案手法

• μB/T = 0における格子QCD結果を再現できるように、エンタングルメント頂点を導入したポリakov-拡張Nambu-Jona-Lasinio（PNJL）モデルをクォーク系に用いる。
• 中性子星質量測定値と核物質EoSを再現できるように、体積効果を考慮したハドロンレゾナントガス（HRG）モデルをハドロン系に用いる。
• 二体および三体核力に基づく、Juelich N3LOチャーリカル相互作用を用いた最低階層ブルッキング理論（LOBT）により、中性子物質状態方程式を計算する。
• 有限の虚数化学ポテンシャルおよび強い磁場における格子QCDシミュレーションの制約を用いて、PNJLモデルのパラメータを固定する。
• 全μB範囲で因果性を満たすように、クォーク系とハドロン系を滑らかに結合する。
• 中性子星質量-半径（M–R）観測結果と統計的フィッティング（Steinerら）を用いて、ハドロン系EoSを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の格子QCDデータと中性子星データを踏まえた場合、ゼロ温度におけるクォーク-ハドロン転移の臨界バリオン化学ポテンシャルμBは何か？
• RQ2 低温のμB/Tにおける格子QCD結果と高温のμB/Tにおける中性子星観測結果を両方満たす一貫性のあるハイブリッドモデルをどのように構築できるか？
• RQ3 チャーリカル有効場理論に三体核力を取り入れることで、核物質状態方程式の予測力はどの程度向上するか？
• RQ4 μB/T ≈ 6における重イオン衝突データとμB/T = ∞における中性子星物理学が、QCD相図の制約にどのように相互に寄与するか？
• RQ5 HRGモデルにおける体積効果が、高密度核物質の反発的性質を再現する上で果たす役割は何か？

主な発見

• ゼロ温度におけるクォーク-ハドロン転移の臨界バリオン化学ポテンシャルは、下限としてμB ≥ 1.6 GeVであることが示された。
• ハイブリッドモデルは、μB/T = 0における格子QCD結果を良好に再現しており、転移温度および保存量のフラクチュエーションも再現している。
• HRGモデルにおける体積効果の取り入れは、核物質状態方程式の反発的性質を再現し、中性子星質量観測結果と一致させるために不可欠である。
• ハイブリッドモデルの状態方程式は、高いバリオン化学ポテンシャル領域でも因果性を保っている。
• このモデルは、低温のμB/Tにおける格子QCDシミュレーションと、質量約2 M⊙の中性子星の観測結果の両方に整合しており、柔らかい状態方程式を除外する。
• 重イオン衝突データ（μB/T ≈ 6）と中性子星物理学（μB/T = ∞）の相乗作用により、全μB–T平面にわたるQCD相図に対する強固な制約が得られた。