[論文レビュー] Identifying the QCD Phase Transitions via the Gravitational Wave Frequency from Supernova Explosion

Zhan Bai, Wei‐jie Fu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 106被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、新しく形成された中性子星（NSs）および strange quark stars（SQSs）における非球面的振動を調査し、重力波（GW）のシグネチャーを通じてQCD相転移を同定することを目的としている。NSsについては相対論的核場理論を、SQSsについてはMITバッグモデルおよびNambu–Jona-Lasinio（NJL）モデルを用い、両モデルにおいてもSQSsのgモード固有振動数はNSsに比べて顕著に低くなることが判明した。これは、クォーク物質モデルに依存しない強力な特徴であり、将来のGW観測によってハドロン-クォーク相転移を検出するための確実な指標となる。

ABSTRACT

We investigate the non-radial oscillations of newly born neutron stars (NSs) and strange quark stars (SQSs). This is done with the relativistic nuclear field theory with hyperon degrees of freedom employed to describe the equation of state for the stellar matter in NSs, and with both the MIT bag model and the Nambu--Jona-Lasinio model adopted to construct the configurations of the SQSs. We find that the gravitational-mode ($g$-mode) eigenfrequencies of newly born SQSs are significantly lower than those of NSs, which is independent of models implemented to describe the equation of state for the strange quark matter. Meanwhile, the eigenfrequencies of the other modes of non-radial oscillations, e.g., fundamental ($f$)- and pressure ($p$)-modes, are much larger than those of the $g$-mode, and is related to the stiffness of the equation of states (EoSs). In the light of the first direct observation of gravitational waves, it is promising to employ the gravitational waves to identify the QCD phase transition in high density strong interaction matter.

研究の動機と目的

• 非球面的振動からの重力波（GW）放射が、中性子星（NSs）とStrange Quark Stars（SQSs）を区別できるか、QCD相転移を示唆するかを特定すること。
• 振動の減衰時間および歪み振幅に基づいて、原始中性子星（PNSs）および原始Strange Quark Stars（PSQSs）からのGWの検出可能性を評価すること。
• ハイペロン自由度および異なるクォーク物質モデル（MITバッグ対NJL）を含む、さまざまな状態方程式（EoS）において、gモード周波数の差がどれほど頑健であるかを評価すること。
• EoSの剛性がGW放射効率および現在および将来の検出器における検出可能性に与える影響を調査すること。

提案手法

• ハイペロン自由度を含む相対論的核場理論を用いて、中性子星（NSs）の状態方程式（EoS）をモデル化した。
• MITバッグモデルおよびNambu–Jona-Lasinio（NJL）モデルを用いて、クォーク星（SQSs）のEoSを構築し、動的カイラル対称性の破れ（DCSB）効果を含めた。
• 一般相対性理論における星の構造および摂動論を用いて、非球面的振動モード（gモード、fモード、pモード）の固有振動数を計算した。
• 四極子公式を用い、振動振幅および距離を仮定して、GW放射によるエネルギー損失から減衰 timescale を計算した。
• さまざまなEoSにおけるNSsとSQSsのGW歪み振幅を比較し、現在の（例：LIGO）および将来の検出器における検出可能性を推定した。
• 特に剛性EoSの状況において、構成クォーク質量および中心密度に伴うgモード周波数の依存性を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MITバッグモデルまたはNambu–Jona-Lasinio（NJL）モデルを用いてクォーク物質を記述しても、新しく形成されたStrange Quark Star（SQS）のgモード固有振動数が中性子星（NSs）よりも顕著に低くなるか。
• RQ2 SQSsにおけるfモードおよびpモードの振動周波数はNSsと比較してどうか。また、さまざまな状態方程式においても区別可能か。
• RQ3 SQSsの状態方程式（EoS）の剛性が、gモード振動からのGW検出可能性に与える影響は何か。
• RQ4 SQSsにおけるgモード振動のGW歪み振幅および減衰 timescale はNSsと比較してどのようになるか。また、将来の検出器で検出可能か。
• RQ5 ハイペロン寄与およびDCSB効果を含むEoSモデルの変動に対しても、NSsとSQSsのgモード周波数差は頑健か。

主な発見

• MITバッグモデルまたはNambu–Jona-Lasinio（NJL）モデルを用いてクォーク物質を記述しても、新しく形成されたStrange Quark Stars（SQSs）のgモード固有振動数は、中性子星（NSs）よりも顕著に低くなる。
• この低周波数のgモードは、クォーク物質内の構成粒子の相対論的性質に起因し、動的カイラル対称性の破れによって奇妙クォークが大きな構成質量を獲得しても、モデルに依存しない強力な特徴である。
• 剛性EoSを持つSQSsではgモード周波数が上昇するが、依然としてNSsに比べて顕著に低く保たれ、gモード周波数が信頼できる識別子のままであることが示された。
• 軟らかいEoSを持つSQSsでは、gモードの減衰時間が極めて長く（約10^3～10^12秒）、GWエネルギー放射が最小限に抑えられ、検出が困難である。
• 剛性EoSを持つSQSsでは、gモードの減衰時間が著しく短くなる（例：約2×10^6 s）が、GW歪みはNSsに比べて約5倍弱くなり、将来的な検出器での検出が可能になる可能性がある。
• fモードおよびpモードの周波数はgモードに比べてはるかに高く、EoSが剛性の場合、NSsとSQSsの間で区別がつかないため、識別子としての有用性は限定的である。