[論文レビュー] Phenomenological neutron star equations of state: 3-window modeling of QCD matter

Toru Kojo|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 99被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、中性子星の状態方程式を、低密度のバリオン系、中間密度の遷移的領域、高密度のパーコレーション化したクォーク物質に分けた3窓モデルを提案する。因果律（$c_s^2 \leq 1$）の制約の下でバリオン系とパーコレーション化クォーク物質の状態方程式を補間することにより、$2M_\odot$の中性子星制約を満たす stiff な状態方程式を達成する。これは、$n_B \sim 10n_s$ まで非摂動的グルーオン力学が続くことを示唆する。このモデルは、第一級相転移を避けることでハイパーフォトンおよびハイブリッド物質の軟化問題を解決する。

ABSTRACT

We discuss the 3-window modeling of cold, dense QCD matter equations of state at density relevant to neutron star properties. At low baryon density, n_B < ~ 2n_s (n_s: nuclear saturation density), we utilize purely hadronic equations of state that are constrained by empirical observations at density n_B ~ n_s and neutron star radii. At high density, n_B > ~ 5n_s, we use the percolated quark matter equations of state which must be very stiff to pass the two-solar mass constraints. The intermediate domain at 2 < n_B/n_s < 5 is described as neither purely hadronic nor percolated quark matter, and the equations of state are inferred by interpolating hadronic and percolated quark matter equations of state. Possible forms of the interpolation are severely restricted by the condition on the (square of) speed of sound, 0 < c_s^2 < 1. The characteristics of the 3-window equation of state are compared with those of conventional hybrid and self-bound quark matters. Using a schematic quark model for the percolated domain, it is argued that the two-solar mass constraint requires the model parameters to be as large as their vacuum values, indicating that the gluon dynamics remains strongly non-perturbative to n_B ~ 10n_s. The hyperon puzzle is also briefly discussed in light of quark descriptions.

研究の動機と目的

• 中性星の現象論的状態方程式を開発し、$2M_\odot$ の質量制約と因果律、そして現実的なQCD挙動を調和させる。
• 従来のモデルで一般的な第一級相転移を避けることで、ハイパーフォトンおよびハイブリッド物質の軟化問題を解決する。
• 中間密度領域（$2n_s \lesssim n_B \lesssim 5n_s$）をバリオン系とパーコレーション化クォーク物質の間の遷移的相として特徴づける。
• パーコレーション化クォーク物質領域におけるNJLモデルパラメータ（例：$G_V$, $H$）の必要十分な強度を、$2M_\odot$ 制約を満たすために特定する。
• モデルパラメータ制約から、$n_B \sim 10n_s$ まで非摂動的グルーオン力学が続くことを推論する。

提案手法

• QCD物質を3つの密度領域に分割：低密度（$n_B \lesssim 2n_s$）は完全にバリオン系、中間密度（$2n_s \lesssim n_B \lesssim 5n_s$）は遷移的、高密度（$n_B \gtrsim 5n_s$）はパーコレーション化クォーク物質。
• 低密度領域には、核の飽和密度と中性子星半径で制約された経験的バリオン系状態方程式を適用。
• 高密度領域には、大きな結合定数（$G_V \sim G_s$, $H \sim G_s$）を有するパーコレーション化クォーク物質状態方程式を適用し、高密度での高い剛性を確保。
• 中間領域における補間形式を制限するため、因果律条件 $0 \leq c_s^2 \leq 1$ を課す。
• パーコレーション化領域におけるグルーオン力学の挙動を推論するために、模式的なNJLモデルを用いる。
• 観測的制約から$M$-$R$関係を逆算し、状態方程式を抽出するためにLindblomのアルゴリズムを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン系とパーコレーション化クォーク物質の状態方程式の滑らかな補間は、因果律を満たしつつ$2M_\odot$の中性子星質量制約を満たすことができるか？
• RQ2 十分な剛性を達成するため、パーコレーション化クォーク物質領域におけるNJLモデルパラメータ（$G_V$, $H$）に必要な値は何か？
• RQ3 大きなNJL結合定数の持続は、$n_B \sim 10n_s$ までグルーオン力学が非摂動的のままであることを示唆するか？
• RQ4 3窓モデルは第一級相転移に依存せず、ハイパーフォトン問題をどのように解決するか？
• RQ5 バリオン系とクォーク物質の間の中間密度遷移領域の物理的解釈は何か？

主な発見

• 3窓モデルは、$n_B \gtrsim 5n_s$ の高密度領域で$2M_\odot$の中性子星を支えるために必要な stiff な状態方程式を達成し、$2M_\odot$ 制約を満たす。
• 中間領域（$2n_s \lesssim n_B \lesssim 5n_s$）は因果律によって制約を受けており、バリオン系とパーコレーション化クォーク物質状態方程式の間の有効な補間形式を制限する。
• $2M_\odot$ 制約を満たすため、パーコレーション化領域におけるNJLモデルパラメータは、真空中の値と同等に大きくなければならない。これは、非摂動的グルーオン力学が$n_B \sim 10n_s$ まで続くことを示唆する。
• 第一級相転移を回避することで、このモデルはハイパーフォトン問題を解決する。そうでなければ、過度な軟化が生じる。
• 低化学ポテンシャルでの非閉じ込めクォークモデルにおける圧力の過剰は、閉じ込め効果によって抑制されることが予想され、物理的に妥当な挙動である。
• このモデルは、$n_B \gtrsim 5n_s$ でのパーコレーション化クォーク物質への遷移が、非摂動的グルーオンを介して局所的色 singlet 構造を維持していることを示唆する。