[論文レビュー] Quark Hadron Phase Transition and Hybrid Stars

Sanjay Kumar Ghosh, S. C. Phatak+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1994

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 25被引用数 30

ひとこと要約

本論文は、バリオン物質に対して非線形Waleckaモデル、クォーク物質に対してチャーミカルカラードイエレクトリックモデル（CCDM）を用いて、中性子星におけるクォーク-バリオン相転移を調査する。相転移はモデルパラメータの非常に狭い範囲でのみ発生し、その結果、質量、半径、回転周期といった性質が観測限界と整合するハイブリッド星が得られ、現在の観測では純粋な中性子星と区別できないことが示された。

ABSTRACT

We investigate the properties of hybrid stars consisting of quark matter in the core and hadron matter in outer region. The hadronic and quark matter equations of state are calculated by using nonlinear Walecka model and chiral colour dielectric (CCD) model respectively. We find that the phase transition from hadron to quark matter is possible in a narrow range of the parameters of nonlinear Walecka and CCD models. The transition is strong or weak first order depending on the parameters used. The EOS thus obtained, is used to study the properties of hybrid stars. We find that the calculated hybrid star properties are similar to those of pure neutron stars.

研究の動機と目的

• 零温度条件下における中性子星内のバリオン-クォーク相転移を研究すること。
• 一次相転移としてバリオン物質からクォーク物質へ転移する条件を特定すること。
• モデルパラメータの変動が状態方程式およびその結果得られるハイブリッド星の性質に与える影響を評価すること。
• 予測されたハイブリッド星の特性（質量、半径、回転周期）を、中性子星の観測制約と比較すること。
• ハイブリオン結合定数およびクォーク物質パラメータが、転移密度および潜熱に与える影響を評価すること。

提案手法

• バリオン物質の状態方程式を計算するために、平均場近似における非線形Waleckaモデルを用いる。これにはハイブリオンおよびレプトンを含む。
• クォーク物質の状態方程式を計算するために、チャーミカルカラードイエレクトリックモデル（CCDM）を適用する。これにはクォーク質量、強い結合定数、バッグ圧力を組み込む。
• バリオン相とクォーク相の境界で圧力と化学ポテンシャルを等しくすることで、相境界での整合条件を課す。
• 核の体積弾性率（250–350 MeV）、ハイブリオン結合定数、CCDMパラメータを変化させ、相転移の挙動を調査する。
• Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程式を数値的に解き、中性子星の構造（質量、半径、慣性モーメント）を計算する。
• 回転特性（ケプラーブレイクダウン周期）を分析し、クライスタル超流動分率との比較を、パルサーのグルーブデータと照らし合わせる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子星において一次相転移としてバリオン物質からクォーク物質へ転移する条件は何か？
• RQ2 核物質の体積弾性率およびハイブリオン結合定数の変動が、転移密度および潜熱に与える影響は何か？
• RQ3 CCDMパラメータによる異なるクォーク物質の状態方程式が、ハイブリッド星の構造に与える影響は何か？
• RQ4 予測されたハイブリッド星の質量、半径、回転周期は、観測制約とどのように一致するか？
• RQ5 現在の観測データに基づいて、ハイブリッド星は純粋な中性子星とどれほど区別可能か？

主な発見

• 非線形WaleckaモデルおよびCCDMモデルにおいて、バリオン-クォーク物質の相転移は非常に狭いパラメータ範囲でのみ発生し、妥当なパラメータセットに対する物理的制約を示している。
• CCDMにおけるクォーク物質の状態方程式の軟化は、バッグモデル予測と比較して、ハイブリッド星の最大質量および半径を低減させる。
• ハイブリッド星は観測限界と整合する質量および半径を示し、最大質量は通常2 M☉未満、半径はパラメータセットに応じて10–13 km程度である。
• ハイブリッド星のケプラーブレイクダウン周期は0.89 msから0.93 msの範囲にあり、純粋な中性子星と同等で、観測されたパルサーの制限と整合している。
• 超流動クライスタルの慣性モーメント分率（α）はハイブリオン結合定数に敏感で、約0.01から約0.03の範囲にあり、Velaパルサーのグルーブデータと整合している。
• 相転移はストレンジネスに強く依存しており、バリオン相からクォーク相に移行する際にストレンジネス分率が著しく増加する。ストレンジネスが事前に存在する場合、相転移速度が増加する可能性がある。