[論文レビュー] Physics and Astrophysics of Strange Quark Matter

Jesper Madsen|CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research)|Sep 3, 1998

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、奇妙クォーク物質（SQM）の安定性および天体物理学的意味を調査し、強い相互作用のパラメータが特定の条件下で3フラバークォーク物質が安定または準安定である可能性を提案している。SQMの役割を宇宙論、中性子星、宇宙線、および重イオン衝突において探求し、ハドロン物質の奇妙な基底状態仮説を検証するため、天体物理学的観測と実験室実験の相補的性を強調している。

ABSTRACT

3-flavor quark matter (strange quark matter; SQM) can be stable or metastable for a wide range of strong interaction parameters. If so, SQM can play an important role in cosmology, neutron stars, cosmic ray physics, and relativistic heavy-ion collisions. As an example of the intimate connections between astrophysics and heavy-ion collision physics, this Chapter gives an overview of the physical properties of SQM in bulk and of small-baryon number strangelets; discusses the possible formation, destruction, and implications of lumps of SQM (quark nuggets) in the early Universe; and describes the structure and signature of strange stars, as well as formation and detection of strangelets in cosmic rays. It is concluded, that astrophysical and laboratory searches are complementary in many respects, and that both should be pursued to test the intriguing possibility of a strange ground state for hadronic matter, and (more generally) to improve our knowledge of the strong interactions.

研究の動機と目的

• 奇妙クォーク物質（SQM）が物理的条件の下で安定または準安定である状況を評価すること。
• 初期宇宙におけるクォークネグレットの形成、進化、観測的特徴を検討すること。
• 奇妙星の構造と検出可能性をモデル化し、天体物理学的残渣としての可能性を検討すること。
• 宇宙線および相対論的重イオン衝突における奇妙リット（strangelets）の生成と検出を分析すること。
• 強い相互作用およびハドロン基底状態の性質を解明するため、天体物理学的観測と実験室実験の相補的関係を確立すること。

提案手法

• 量子色力学（QCD）および有効モデルを用いて、3フラバークォーク物質の熱力学的および体積的性質を分析すること。
• 初期宇宙における宇宙的相転移を介したクォークネグレットの形成をモデル化すること。
• 奇妙クォーク物質の状態方程式を構築し、安定性条件およびバリオン1個あたりの結合エネルギーを特定すること。
• 流体力学および核種生成理論を適用して、クォークネグレットの成長と生存を記述すること。
• 粒子輸送および崩壊モデルを用いて、宇宙線フラックスにおける奇妙リットの生成と検出をシミュレートすること。
• 重イオン衝突実験の結果を統合し、SQMの性質を制約するとともに、天体物理学的観測と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相互作用のパラメータの文脈で、奇妙クォーク物質がどのような条件下で安定または準安定であるか。
• RQ2 クォークネグレットは初期宇宙でどのように形成・進化・生存するのか。また、その宇宙論的意味は何か。
• RQ3 奇妙星の構造的および観測的特徴は何か。それらは中性子星とどのように異なるか。
• RQ4 宇宙線における奇妙リットの予想されるフラックスと検出可能性は何か。標準モデルの粒子フラックスと比較するとどうなるか。
• RQ5 実験室で行う相対論的重イオン衝突実験は、奇妙クォーク物質の天体物理学的探索をどのように補完するか。

主な発見

• 奇妙クォーク物質は、強い相互作用のパラメータの広い範囲において安定または準安定である可能性があり、ハドロン物質の真の基底状態としての役割を果たす可能性を支持する。
• 初期宇宙で形成されたクォークネグレットは現在まで生存している可能性があり、ダークマターの寄与や宇宙線での検出可能性を有する。
• 奇妙星は、中性子星とは異なる質量-半径関係および冷却挙動を示すと予測され、観測的特徴としての可能性を有する。
• 標準モデル下では宇宙線における奇妙リットの生成が強く抑制されるが、高エネルギー環境における非熱的生成メカニズムが検出可能性を高めうる。
• 相対論的重イオン衝突実験における実験的探索は、特に表面エネルギーおよび結合エネルギーに関して、奇妙クォーク物質の性質を制約する上で極めて重要である。
• 天体物理学的観測と実験室実験の相互作用は、奇妙クォーク物質基底状態仮説を検証する強力で相補的なアプローチを提供する。