[論文レビュー] Pulsar glitches from quantum vortex networks

Giacomo Marmorini, Shigehiro Yasui+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2020

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、中性子星の核におけるs波およびp波超伝導体の界面に存在する量子渇きネットワークが、パulsarのグルーブを生じると提案している。ここでは、s波領域の整数渇き（IQV）がボージャム構造を通じてp波領域の半量子渇き（HQV）に接続され、モデルは自由パrameterを一切用いずに観測されたスケーリング則 P(E) ∼ E^−0.88 を自然に再現する。グルーブはトポロジカルな渇きネットワーク内の集団的ピン留め解放現象として説明される。

ABSTRACT

Neutron stars or pulsars are very rapidly rotating compact stars with extremely high density. One of the unsolved long-standing problems of these enigmatic celestial bodies is the origin of pulsars' glitches, i.e., the sudden rapid deceleration in the rotation speed of neutron stars. Although many glitch events have been reported, there is no consensus on the microscopic mechanism responsible for them. One of the important characterizations of the glitches is the scaling law $P(E) \sim E^{-α}$ of the probability distribution for a glitch with energy $E$. Here, we reanalyse the accumulated up-to-date observation data to obtain the exponent $α\approx 0.88$ for the scaling law, and propose a simple microscopic model that naturally deduces this scaling law without any free parameters. Our model explains the appearance of these glitches in terms of the presence of quantum vortex networks arising at the interface of two different kinds of superfluids in the core of neutron stars; a $p$-wave neutron superfluid in the inner core which interfaces with the $s$-wave neutron superfluid in the outer core, where each integer vortex in the $s$-wave superfluid connects to two half-quantized vortices in the $p$-wave superfluid through structures called "boojums."

研究の動機と目的

• パulsarグルーブの長年の謎を解明すること。これは、回転する中性子星における突然の回転減速を含む。
• 更新された観測データから得られたα ≈ 0.88 の実験的スケーリング則 P(E) ∼ E^−α を説明すること。
• 異なる超伝導相の界面における量子渇きネットワークとトポロジカルな欠損（ボージャム）に基づいた微視的メカニズムを提案すること。
• スケーリング則が調整可能なパrameterを一切用いずに、ネットワーク構造から自然に導かれることが示されること。

提案手法

• 中性子星の核を二相超伝導体系としてモデル化する。外核ではs波超伝導体、内核ではp波超伝導体とする。
• ギンツブルグ＝ランダウ型の秩序パラメータを用いて渇きを記述する。s波では整数渇き（IQV）、p波では半量子渇き（HQV）を表す。
• ボージャムをs波/p波界面に存在するトポロジカル欠損として導入し、1つのIQVが2つのHQVに接続可能であることを示す。
• HQVとIQVのクラスタがトポロジカルに安定な構造を形成するように、相互に接続された渇きネットワークを構築する。
• グルーブ現象を、連結した渇きネットワーク内の全渇きが同時に解放される、破壊的ピン留め解放としてモデル化する。
• 渇きネットワークの統計力学を用いて、グルーブエネルギーの確率分布を導出し、べき則スケーリングに至る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたE^−0.88 スケーリング則を自然に説明できる微視的メカニズムは何か？
• RQ2 異なる超伝導相（s波対p波）における量子渇きが界面を越えてどのように相互作用し、集団的グルーブ現象を生じるか？
• RQ3 トポロジカルネットワーク内の渇きクラスタの集団的ピン留め解放が、観測されたべき則的統計を再現できるか？
• RQ4 ボージャム欠損は、中性子星の核における整数渇きと半量子渇きの間の接続をどのように媒介するか？
• RQ5 観測されたスケーリング指数α ≈ 0.88 は、渇きネットワークダイナミクスの根本的物理的モデルと整合するか？

主な発見

• 最新の観測データの解析により、グルーブエネルギー分布 P(E) ∼ E^−α に対するスケーリング指数が α ≈ 0.88 に得られた。
• IQVとHQVをボージャム媒介で接続する提案された渇きネットワークモデルは、自由パrameterを一切用いずに観測されたスケーリング則を自然に再現する。
• モデルはグルーブを個々の渇きではなく、完全な渇きクラスタの集団的ピン留め解放として説明でき、滑らかな回転減速との矛盾を解消する。
• 内核のp波超伝導体はトポロジカルに非自明であり、マヨラナフェルミオンを支持し、安定なHQV配置を可能にする。
• s波とp波超伝導体の界面には、相互に接続された渇きネットワークが存在し、ボージャムが渇き構造のトポロジカル整合性を保証する。
• このモデルは、超冷却原子ガスやA-B相境界を有する3He超伝導体といった実験系で、実験的に検証可能である可能性を有する。