[論文レビュー] Is there a "$\Delta$-isobar puzzle" in the physics of neutron stars?

A. Drago, A. Lavagno+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、中性子星物質におけるΔイソバリの出現が、よく知られたハイパーヨンパズルに類似した「Δイソバリパズル」を引き起こすかどうかを調査する。実験データによるΔ核子相互作用と対称性エネルギーの密度微係数（L ≈ 40–62 MeV）の最近の制限を制約条件とする相対論的平均場モデルを用いて、Δイソバリは核密度の2〜3倍の密度で形成され、方程式状態を著しく緩め、実験データと整合するポテンシャルを持つ場合、観測された2 M⊙の上限を超える中性子星質量を支持できなくなることが判明した。

ABSTRACT

We discuss the formation of $\\Delta$ isobars in neutron star matter. We show that their threshold density strictly correlates with the density derivative of the symmetry energy of nuclear matter, the $L$ parameter. By restricting $L$ to the range of values indicated by recent experimental and theoretical analysis, i.e. $40$ MeV $\\lesssim L \\lesssim 62$ MeV, we find that $\\Delta$ isobars appear at a density of the order of 2$\\div$3 times nuclear matter saturation density, i.e. the same range for the appearance of hyperons. The range of values of the couplings of the $\\Delta$s with the mesons is restricted by the analysis of the data obtained from photoabsorption, electron and pion scattering on nuclei. If the potential of the $\\Delta$ in nuclear matter is close to the one indicated by the experimental data then the equation of state becomes soft enough that a "$\\Delta$ puzzle" exists, similar to the "hyperon puzzle" widely discussed in the literature.

研究の動機と目的

• 中性子星構造に関連する密度において、Δイソバリが中性子星物質に出現するかどうかを評価すること。
• Δイソバリの出現が、ハイパーヨンパズルに類似した「Δイソバリパズル」を引き起こすかどうかを調査すること。すなわち、方程式状態が2 M⊙の中性子星を支持するのにあまりに緩みすぎてしまうかどうか。
• 光吸収、電子散乱、およびパイオン散乱による核に対する実験データを用いて、Δ核子結合定数を制約すること。
• 更新された対称性エネルギーの制約を用いた相対論的平均場モデルを用いて、Δイソバリが中性子星の最大質量および半径に与える影響を評価すること。

提案手法

• β安定な中性子星物質内のバリオン-メソン相互作用を記述するため、σ、ω、ρメソンを用いた相対論的平均場（RMF）モデルを用いる。
• Δイソバリ形成の閾値密度を求めるために、μ_i ≥ m_i - g_{σi}σ + g_{ωi}ω + t_{3i}g_{ρi}ρ の条件を適用する。
• 化学ポテンシャルを計算するために、バリオン数と電荷の保存則（μ_B および μ_C）に従うβ平衡条件を適用する。
• 核物質の性質をモデル化するために、Lパラメータを制限した（40–62 MeV）SFHo方程式状態を用いる。
• 光吸収、電子散乱、およびパイオン-核反応からの実験的制限を用いて、結合定数比 x_{σΔ}、x_{ωΔ} を固定する。
• 星の構造計算を実施し、Δイソバリおよび／またはハイパーヨンを含む状況における質量-半径関係および最大質量を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性エネルギーの密度微係数に関する現在の制限を考慮した場合、β安定な中性子星物質におけるΔイソバリの形成密度はどの程度か？
• RQ2 核物質内におけるΔポテンシャルに関する実験的制限が、方程式状態および中性子星の最大質量に与える影響は何か？
• RQ3 Δイソバリの導入が、「Δイソバリパズル」を引き起こすか、すなわち方程式状態が2 M⊙の中性子星を支持できなくなるほど緩みすぎてしまうか？ハイパーヨンパズルに類似した現象か？
• RQ4 現代の核モデルにおいて、Δ形成の閾値密度とLパラメータ（対称性エネルギーの密度微係数）との相関関係は何か？
• RQ5 Δイソバリの影響は、純粋に核子的またはハイパーヨニックな構成と比較して、1.4 M⊙および最大質量の中性子星の半径にどのような影響を与えるか？

主な発見

• β安定物質におけるΔイソバリ形成の閾値密度は、核密度の2〜3倍（n₀ ≈ 0.16 fm⁻³）の範囲、すなわち0.32–0.48 fm⁻³に位置することが判明した。
• この閾値密度はLパラメータと強く相関しており、Lが40–62 MeVに制限されている場合、ハイパーヨンが出現するのと同程度の密度でΔイソバリが形成される。
• 光吸収、電子散乱、およびパイオン散乱からの実験的データは、核物質内におけるΔポテンシャルが -30 MeV ≤ V_Δ ≤ V_N の範囲にあることを示唆している。ここでV_Nは核子ポテンシャルである。
• Δポテンシャルがこれらの実験的制限と整合する場合、方程式状態は2 M⊙を超える中性子星を支持できるほどに柔らかくなり、結果として「Δイソバリパズル」が生じる。
• 実験データが示すようにx_{ωΔ} ≤ 1の場合、最大中性子星質量は2 M⊙未満に低下し、Δの寄与は現在の質量測定と整合しない。
• Δイソバリのみを含む構成では、最大質量の中性子星の半径はR ≤ 10.5 kmにまで低下し、高いコンパクトネスを示すが、ハイパーヨンの導入により最大質量はさらに低下する。