[論文レビュー] Superconducting phases in a two-component microscale model of neutron star cores

Toby S. Wood, Vanessa Graber+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、中性子星の核において中性子および陽子の超流動が共存し、相互作用を及ぼす状況下で、2成分のギンツブルク＝ランドウ模型を構築し、超伝導相を調査した。実際のスカイリム状態方程式のパラメータを用いて、外核ではタイプ-1.5超伝導が顕在する——磁束管の不均一な束ねがメイソン領域に囲まれる——ことを明らかにした。これは従来のタイプ-II仮定に挑戦するものであり、複雑さのため数値的に相転移が決定された。

ABSTRACT

We identify the possible ground states for a mixture of two superfluid condensates (one neutral, the other electrically charged) using a phenomenological Ginzburg-Landau model. While this framework is applicable to any interacting condensed-matter mixture of a charged and a neutral component, we focus on nuclear matter in neutron star cores, where proton and neutron condensates are coupled via non-dissipative entrainment. We employ the Skyrme interaction to determine the neutron star's equilibrium composition, and hence obtain realistic coefficients for our Ginzburg-Landau model at each depth within the star's core. We then use the Ginzburg-Landau model to determine the ground state in the presence of a magnetic field. In this way, we obtain superconducting phase diagrams for six representative Skyrme models, revealing the microphysical magnetic flux distribution throughout the neutron star core. The phase diagrams are rather complex and the locations of most of the phase transitions can only be determined through numerical calculations. Nonetheless, we find that for all equations of state considered in this work, much of the outer core exhibits type-1.5 superconductivity, rather than type-II superconductivity as is generally assumed. For local magnetic field strengths $\lesssim 10^{14} \, { m G}$, the magnetic flux is distributed inhomogeneously, with bundles of magnetic fluxtubes separated by flux-free Meissner regions. We provide an approximate criterion to determine the transition between this type-1.5 phase and the type-I region in the inner core.

研究の動機と目的

• 中性子星の核における2成分の超流動混合系（1つは電荷を帯び、もう1つは中性）の基底状態を、現象論的ギンツブルク＝ランドウ枠組みを用いて特定すること。
• 中性子と陽子の凝縮体間のエントレインメントが、超伝導相転移および磁束管構造に与える影響を調査すること。
• 外核がタイプ-I、タイプ-II、あるいはタイプ-1.5超伝導としてより適切に記述されるか、特に現実的な核物質パラメータ下で評価すること。
• 外部磁場が存在する場合の、中性子星核における磁束分布の微視的基盤を提供すること。

提案手法

• 非散乱的エントレインメントを組み込んだ2成分のギンツブルク＝ランドウ自由エネルギー関数を定式化した。
• スカイリム相互作用を用いて平衡核組成を計算し、中性子星核の深さに応じた現実的なギンツブルク＝ランドウ係数を抽出した。
• 外部磁場下での基底状態を決定するため、ギンツブルク＝ランドウモデルを適用し、磁束管格子構造を含めた。
• 6種のスカイリム状態方程式について、相図を数値的に評価し、核全体にわたる超伝導相をマップした。
• 摂動的解析と自由エネルギー最小化を用いて、磁束管格子の安定性を評価し、ギンツブルグ＝ランドウ展開の高次補正を含めた。
• カップリングパラメータと磁場強度に基づいて、タイプ-1.5とタイプ-I超伝導相の遷移を特徴付ける基準を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な核物質パラメータ下で、中性子星の外核はタイプ-I、タイプ-II、あるいはタイプ-1.5超伝導を示すか？
• RQ2 中性子と陽子の超流動の間のエントレインメントは、磁束管の安定性および構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 内核におけるタイプ-1.5とタイプ-I超伝導相の遷移を決定づける要因は何か？
• RQ4 外核における規則的な磁束管格子の仮定は維持可能か、それとも非線形不安定性によって崩壊するか？
• RQ5 中性子凝縮の摂動（γを介して）が、磁束線格子の安定化または不安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 検討された6種のスカイリム状態方程式すべてにおいて、外核はタイプ-IIではなくタイプ-1.5超伝導を示す。これは、磁束自由のメイソン領域に囲まれた不均一な磁束管束によるものである。
• 内核におけるタイプ-1.5からタイプ-Iへの遷移は、局所磁場が ≲10^14 G の領域で発生し、カップリングパラメータと磁場強度に基づく基準が導出された。
• 数値計算により、幾何的制約下で無限大領域において唯一安定な磁束線配置は単一電荷の六角格子であることが示された。
• カップリングパラメータ h1 および h2 が十分に大きい場合、中性子凝縮への摂動 γ が増幅され、自由エネルギーが低下するため、一次相転移が可能となる。
• 自由エネルギー項が式 (122) で負になる大域的領域では、弱非線形解析が破綻し、非格子基底状態への亜臨界定常分岐が示唆される。
• 大域的領域における真の基底状態は、高電荷格子ではなく、非超伝導相と単一電荷六角格子の混合状態であり、臨界磁場を超えると非線形不安定性が顕在するためである。