[論文レビュー] Neutron stars with Hyperons in Dirac-Brueckner-Hartree-Fock approach

Tetsuya Katayama, Koichi Saito|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ハイパーロン自由度と負エネルギーバリオン状態を完全に組み込んだDirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF) アプローチを用いて、中性子星物質の状態方程式 (EoS) を計算する。ボンのメソン-核子およびハイパーロン-メソンポテンシャルを用いて連立されたBethe-Salpeter方程式を解くことで、最大中性子星質量が2.02 M☉であると予測され、これは最近のJ1614-2230およびJ0348+0432の観測結果と整合的である。

ABSTRACT

Using the Dirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF) approach including the hyperon degrees of freedom, we investigate the properties of neutron-star matter. To handle the hyperons in matter, we first examine the importance of the space part of baryon self-energies at high densities, and secondly study the effect of negative-energy states of baryons, which can provide an unambiguous relationship between the in-medium reaction matrices for baryon-baryon scattering and the baryon self-energies. We solve the coupled, Bethe-Salpeter equations in the nuclear-matter rest frame by using the Bonn potentials. We assume that eight kinds of nonstrange and strange mesons ($σ,\,δ,\,ω,\,ρ,\,η,\,π,\,K,\,K^{\ast}$) take part in the interactions between two baryons. Then, we calculate the baryon self-energies, the energy density and pressure of matter. The present calculation provides a hard equation of state in neutron-star matter at high densities, which is generated by the effect of Pauli exclusion, the short-range correlations between two baryons, etc. We finally predict the maximum neutron-star mass of $2.02\,M_{\odot}$, which is consistent with both the recently observed masses, $1.97\pm0.04M_{\odot}$ (J1614-2230) and $2.01\pm0.04M_{\odot}$ (J0348+0432).

研究の動機と目的

• ハイパーロンを含む中性子星物質の状態方程式 (EoS) を、Dirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF) フレームワークを用いて調査すること。
• 従来のDBHFアプローチの限界を克服するため、バリオン自己エネルギーの空間部と負エネルギー状態を含めること。
• 特にKおよびK*メソンの包含が、ハイパーロンの出現とEoSに与える影響を検討すること。
• 最大中性子星質量を予測し、最近の観測的制約と比較すること。
• 現実的なハイパーロン-メソン結合定数と形因子が、EoSおよび最大質量に与える影響を評価すること。

提案手法

• 核物質静止系において、標準的スピンダーとボンポテンシャルモデルを用いたバリオン-バリオン相互作用の下で、連立Bethe-Salpeter方程式を解く。
• バリオン-バリオン散乱および自己エネルギーを記述するため、8種類のメソン（σ, δ, ω, ρ, η, π, K, K*）を相互作用ラグランジアンに含める。
• 自己エネルギー計算において、正および負エネルギーのバリオン状態を両方とも取り扱い、媒体中T行列と自己エネルギーの明確な関係を確立する。
• 調整パラメータを一切用いずに、完全なDBHF形式を用いてバリオン自己エネルギー、エネルギー密度、圧力、および状態方程式 (EoS) を計算する。
• SU(6)対称性を用いてハイパーロン-メソン結合定数を決定し、形因子に共通のカットオフ質量を適用する。
• 5バリオン＋6メソン、8バリオン＋6メソン、5バリオン＋8メソン（KおよびK*を含む）の3つの異なる状況で計算を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 負エネルギー状態と自己エネルギーの空間成分の包含が、高密度の中性子星物質における状態方程式に与える影響は何か？
• RQ2 KおよびK*メソンの包含が、中性子星物質におけるΣ⁻ハイパーロンの出現と挙動に与える影響は何か？
• RQ3 ハイパーロンと媒体効果を適切に取り入れた完全なDBHFアプローチは、特にJ1614-2230およびJ0348+0432に対して観測された中性子星質量の制約とどのように一致するか？
• RQ4 現実的なハイパーロン-メソン結合定数と形因子は、SU(6)対称性の仮定と比較して、予測される最大中性子星質量にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 ハイパーロンと短距離相関を一貫して取り入れた場合、高密度領域における状態方程式はどのように進化するか？

主な発見

• KおよびK*メソンの包含により、Σ⁻ハイパーロンがnB ≈ 0.38 fm⁻³で早期に出現するが、高密度領域では急速に減少する。
• ΛおよびΞ⁻ハイパーロンは徐々に出現し、高密度領域でハイパーロン集団を支配するようになる。これはハイパーロン物質の出現と整合的である。
• 自己エネルギーと負エネルギー状態を完全に取り入れたDBHF計算により、パウリの排他原理と短距離相関のおかげで、高密度領域で硬い状態方程式が得られる。
• モデルは最大中性子星質量が2.02 M☉であると予測しており、これは観測された1.97±0.04 M☉ (J1614-2230) および2.01±0.04 M☉ (J0348+0432) と非常に良好に一致する。
• 結果は、適切にハイパーロンと媒体効果を扱ったDBHFアプローチが、高密度の中性子星物質に対して一貫性があり予測可能なフレームワークを提供することを示している。
• 今後の現実的なハイパーロン-メソン結合定数と形因子を用いた改良により、EoSおよび最大質量の予測がさらに精錬される可能性がある。