[論文レビュー] Pion stability in a hot dense media

M. Loewe, C. Villavicencio|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2011

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

この論文は有限温度における高温・高密度物質における荷電π中間子の力学的安定性を調査し、レプトンの化学ポテンシャルがミュー粒子の質量を超えると、パウリ閉鎖により衰えが抑制され、π中間子が安定したまま残ることを示している。pion-lepton気体におけるニュートリノ放出率と冷却速度を計算した結果、化学ポテンシャルの増加に伴い放出率が顕著に増加し、原始中性子星の冷却において重要な役割を果たすことがわかった。

ABSTRACT

Pions may remain stable under certain conditions in a dense media at zero temperature in the normal phase (non pion superfluid state). The stability condition is achieved when the in-media pion width vanishes. However, thermal fluctuations will change this stable regime. For low temperature pions will remain in a metastable state. Here we discuss the different possible scenarios for leptonic pion decays at finite temperature, taking into account all the different chemical potentials involved. The neutrino emission due to pions in a hot-dense media is calculated, as well as the coolig rate of a pion-lepton gas.

研究の動機と目的

• 有限温度効果があるにもかかわらず、密度が高く高温の媒体において荷電π中間子がどの条件下で力学的に安定であるかを分析すること。
• レプトンの化学ポテンシャルと熱揺らぎがπ中間子の崩壊幅およびニュートリノ放出に与える影響を特定すること。
• β平衡状態にあるpion-lepton気体の冷却速度を評価すること、特に原始中性子星の文脈において。
• π中間子がミュー粒子およびミュオンニュートリノに崩壊する過程が、高密度天体環境の冷却過程において果たす役割を定量化すること。

提案手法

• 弱い崩壊を記述する有効フェルミ相互作用を用い、レプトンおよびアイソスピンの化学ポテンシャルを明示的に含む有限温度のカイラルラグランジアンを構築する。
• Wess-Zumino-Wittenの異常項およびローレンツ対称性の破れ項を導入し、二クォーク対のペアリングを仮定せずに密度効果をモデル化する。
• 有限温度場理論を用いて、デゲネレートしたレプトン状態によるパウリ閉鎖を考慮したπ中間子崩壊幅およびニュートリノ放出率を計算する。
• 電子およびミュー粒子に注目し、非相互作用的デジェネレートフェルミオン気体近似を用いて比熱および放出率を導出する。
• 冷却時間積分式 $ t = t_0 - igint_{T_0}^T rac{c_V}{ ho} dT $ を用いて、pion-lepton気体の熱的進化を推定する。
• 化学ポテンシャルに依存して、放出率のスケーリングが $ ho o T^{3/2} $ から $ ho o T $ へと変化し、低温では指数的抑制が生じることを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パウリ閉鎖によって、有限温度における高密度物質内での荷電π中間子がどの条件下で力学的に安定に保たれるのか。
• RQ2 ミュー粒子およびミュオンニュートリノへのπ中間子崩壊に起因するニュートリノ放出率は、レプトンの化学ポテンシャルおよび温度にどのように依存するか。
• RQ3 β平衡状態にあるpion-lepton気体の冷却速度は何か。また、電子の化学ポテンシャルにどのように依存するか。
• RQ4 有限温度効果および化学ポテンシャルは、高密度媒質内での標準的π中間子崩壊幅にどのように影響を及ぼすか。
• RQ5 π中間子を介したニュートリノ放出は、原始中性子星においてどの程度の冷却機構として顕著に寄与するか。

主な発見

• レプトンの化学ポテンシャルがミュー粒子の質量を超えると、有限温度であってもパウリ閉鎖により崩壊が抑制され、荷電π中間子は力学的に安定に保たれる。
• ニュートリノ放出率はレプトンの化学ポテンシャルに比例して増加し、$ ho o T^{3/2} $ から $ ho o T $ へとスケーリングするが、低温では指数的抑制が生じる。
• 5 MeVから1 MeVへの冷却時間は力学的安定領域において数秒のオーダーであり、1 MeVから1 MeV未塔への冷却は数千年のスケールに達する。
• 冷却過程は1 MeV以上の温度領域で顕著に進行するため、原始中性子星の初期冷却段階において重要であることが示された。
• 通常相において、π中間子がミュー粒子およびミュオンニュートリノに崩壊する過程は、ニュートリノ放出に顕著に寄与しており、従来の中性子星冷却モデルでは過小評価されていたチャネルである。
• 化学ポテンシャル $ ho_e = 122.6 $ MeV（$ m_ u $ と $ m_ ho $ の間）では、冷却曲線はπ中間子の超流動転移の始まりに非常に類似しており、冷却挙動におけるクロスオーバーを示唆している。