[論文レビュー] Equation of State of Hot Dense Hyperonic Matter in the Quark-Meson-Coupling (QMC-A) model

J. R. Stone, Verônica Dexheimer+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2019

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、クォーク・メソン結合と原子（QMC-A）モデルを用いて、高温・高密度のハイパーニオン物質のための新しい状態方程式（EoS）を提示する。このモデルは、クォークレベルの力学に基づき、素粒子的自由度を組み込み、5つの制約パラメータを有する。高温・高密度の条件下で、温度と密度の依存性により、原始中性子星および中性子星合体残骸に顕著なハイパーニオン集団が予測される。また、ハイパーニオンの出現に伴い、音速が1/3の conformal 限界を下回るが、これはかつてクォーク物質核の兆候と見なされてきた。本研究では、この低速が、クォーク物質の兆候ではなく、ハイパーニオンの出現に起因することを示唆する。

ABSTRACT

We report a new equation of state (EoS) of cold and hot hyperonic matter constructed in the framework of the quark-meson-coupling (QMC-A) model. The QMC-A EoS yields results compatible with available nuclear physics constraints and astrophysical observations. It covers the range of temperatures from T=0 to 100 MeV, entropies per particle S/A between 0 and 6, lepton fractions from Y$_L$=0.0 to 0.6, and baryon number densities n$_B$=0.05-1.2 fm$^{-3}$. Applications of the QMC-A EoS are made to cold neutron stars (NS) and to hot proto-neutron stars (PNS) in two scenarios, (i) lepton rich matter with trapped neutrinos and (ii) deleptonized chemically equilibrated matter. We find that the QMC-A model predicts hyperons in amounts growing with increasing temperature and density, thus suggesting not only their presence in PNS but also, most likely, in NS merger remnants. The nucleon-hyperon phase transition is studied through the adiabatic index and the speed of sound c$_s$. It is shown that the lowering of (c$_s$/c)$^2$ to and below the conformal limit of 1/3 is a general consequence of instabilities due to any phase transition and is not a unique fingerprint of the hadron-quark matter transition. Rigid rotation of cold and hot stars, their moments of inertia and Kepler frequencies are also explored. The QMC-A model results are compared with two relativistic models, the chiral mean field model (CMF), and the generalized relativistic density functional with hyperons (GRDF-Y). Similarities and differences are discussed.

研究の動機と目的

• クォークレベルの力学に基づき、QMC-Aモデルを用いて、高温・高密度のハイパーニオン物質のための新しい自己無撞撃的状態方程式（EoS）を開発すること。
• 温度、エントロピー、レプトン割合、化学的平衡が、中性子星および原始中性子星におけるハイパーニオン集団に与える影響を調査すること。
• ハイパーニオンが中性子星の主要な星体的性質（断熱指数、音速、慣性モーメント、ケプラー周波数など）に与える影響を評価すること。
• QMC-A EoSを、冷たい中性子星、原始中性子星（PNS-I および PNS-II）、および高温で回転する系において、既存の相対論的モデル（CMF および GRDF）と比較すること。
• EoSが現在の天体物理学的観測（GW190814 および 今後の NICER/BNSM データ）に与える意味を評価し、公に利用可能なEoSテーブルを提供すること。

提案手法

• バリオンを平均場に閉じ込めたクォークで記述する、クォーク・メソン結合と原子（QMC-A）モデルを用いる。5つの調整可能なパラメータは、核物質の性質によって制約される。
• バリオン密度 0.05 から 1.2 fm⁻³、温度 0 から 100 MeV、粒子あたりのエントロピー 0 から 6、レプトン割合 0.0 から 0.6 をカバーする包括的なEoSを構築する。
• 2つの異なるPNS状況を実装する：(i) ニュートリノが閉じ込められたレプトン豊富な物質（PNS-I）、および (ii) レプトンが除去され、化学的に平衡に達した物質（PNS-II）。
• ハートル＝トーン近似を用いて、ゆっくりで剛体的回転をモデル化し、冷たい星および高温の星の慣性モーメントとケプラー周波数を計算する。
• 安定性の探査と相転移の兆候（特にハイパーニオンの出現）の特定のため、断熱指数と音速（𝑐𝑠）を計算する。
• 2つの代替モデル（チャーミカル平均場（CMF）と一般化相対論的密度汎関数（GRDF））と比較する。DD2 および DD2Y-T 相互作用を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QMC-Aモデルは、温度、密度、レプトン割合の関数として、高温・高密度物質におけるハイパーニオンの出現と濃度をどのように予測するか？
• RQ2 ハイパーニオン生成に起因して、音速が1/3の conformal 限界（𝑐²𝑠 < 1/3）を下回る程度はどの程度で、これはクォーク物質の兆候と誤認される可能性があるか？
• RQ3 QMC-Aモデルにおいて、冷たい中性子星と高温の原始中性子星の間で、慣性モーメントとケプラー周波数にどのような違いが生じるか？
• RQ4 QMC-Aモデルの予測は、CMF および GRDF モデルと比較して、最大重力的質量と星の構造においてどの程度一致するか？
• RQ5 QMC-A EoSは、GW190814の二次的物体、特に質量剥ぎ取り限界に近い高速回転状態における性質を説明できるか？

主な発見

• QMC-Aモデルは、温度と密度の上昇に伴い、特にΛおよびΣ⁻のハイパーニオン含有量が顕著に増加すると予測され、原始中性子星および中性子星合体残骸にそれらが存在する可能性が示唆される。
• 音速（𝑐𝑠）は高密度領域で1/3の conformal 限界を下回るが、これはかつてクォーク物質核の特徴と見なされてきた。しかし、本研究では、この低速が、脱コンfinementではなく、ハイパーニオンの出現に起因することを示した。
• PNS-I（ニュートリノが閉じ込められた状態）では、電子濃度が高いためハイパーニオン割合が抑制されるが、PNS-II（レプトンが除去された状態）では、電荷中性を維持するためにハイパーニオン含有量が増加する。
• QMC-A EoSは、現在の観測限界と整合する冷たい中性子星の最大重力的質量を予測し、微調整を必要とせず、「ハイパーニオンパズル」を解消する。
• 冷たい中性子星では、慣性モーメントと重力的質量・コンパクトネスの関係は普遍的であるが、高温の原始中性子星ではこの普遍性が崩れる。これは、その熱力学的複雑性を反映している。
• RNSコードを用いて、ケプラー質量剥ぎ取り限界で計算された回転星の最大重力的質量の上限は、GW190814の二次的物体が、質量が大きく高速回転する中性子星であるという解釈と整合的である。