[論文レビュー] Supporting the existence of the QCD critical point by compact star observations

David Alvarez-Castillo, D. Blaschke|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、質量が大きく半径が著しく小さい同一質量の二重星（質量二重星）の観測が、QCD相図における臨界終点（CEP）の存在を強く示す天体物理学的証拠になると主張している。QCDに由来するチャーミカルクォーク模型と、除外体積効果を含む相対論的平均場アプローチを用いて状態方程式（EoS）をモデル化した結果、このような質量二重星は、0 Kにおける顕著な一次相転移を示し、臨界エネルギー密度の60％を超える潜熱（Δε/εc > 0.6）を伴うことが判明した。この相転移は対称物質においても持続し、QCD相図におけるCEPの存在を確認する。

ABSTRACT

In order to prove the existence of a critical end point (CEP) in the QCD phase diagram it is sufficient to demonstrate that at zero temperature $T=0$ a first order phase transition exists as a function of the baryochemical potential $μ$, since it is established knowledge from ab-initio lattice QCD simulations that at $μ=0$ the transition on the temperature axis is a crossover. We present the argument that the observation of a gap in the mass-radius relationship for compact stars which proves the existence of a so-called third family (aka "mass twins") will imply that the $T=0$ equation of state of compact star matter exhibits a strong first order transition with a latent heat that satisfies $Δε/ε_c \gt 0.6$. Since such a strong first order transition under compact star conditions will remain first order when going to symmetric matter, the observation of a disconnected branch (third family) of compact stars in the mass-radius diagram proves the existence of a CEP in QCD. For the equation of state of the twins the quark matter description is based on a QCD-motivated chiral approach with higher-order quark interactions in the Dirac scalar and vector coupling channels. For hadronic matter we select a relativistic mean-field equation of state with density-dependent couplings. Since the nucleons are treated in the quasi-particle framework, an excluded volume has been included for the nuclear equation of state at super-saturation density that takes into account the finite size of the nucleons. Furthermore we show results of a Bayesian analysis (BA) using disjunct M-R constraints for extracting probability measures for cold, dense matter equations of state. This study reveals that measuring the radii of neutron star twins has the potential to support the existence of a first order phase transition for compact star matter.

研究の動機と目的

• 観測可能なコンパクト星現象とQCD相図における臨界終点（CEP）の存在との間の関係を確立すること。
• 滑らかな遷移を示すハイブリッド星が純粋な中性子星と質量-半径関係で見分けがつかない「マスカレード問題」を解消すること。
• ハイブリッド星における高質量二重星現象を通じて、ハイパーヨン問題と中性子星半径の不一致を解消すること。
• ベイズ解析を用いた天体物理学的データの分析を通じて、高質量二重星の検出可能性を評価すること。

提案手法

• スカラーおよびベクトルチャンネルにおける高次相互作用を含む、QCDに由来するチャーミカルクォーク模型を用いて、コンパクト星物質の状態方程式（EoS）をモデル化すること。
• 密度に依存する結合定数と除外体積効果を含む相対論的平均場EoSを用いて、高密度領域におけるヌクレオンの有限サイズを考慮すること。
• ハイブリッド星の構造をシミュレートし、質量-半径図に第三族（質量二重星）が出現する条件を特定すること。
• 質量と半径の分離した測定値を用いてベイズ解析を実施し、二重星現象およびEoSパラメータの確率的測定を抽出すること。
• T=0における強力な一次相転移の兆候として、M-R図における分離した第三族分岐の存在を指標とする。
• パスタ相や高速回転などの影響に対して、二重星現象の頑健性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量中性子星二重星の観測が、QCD相図における臨界終点（CEP）の存在を示す証拠となり得るか？
• RQ2 0 Kにおける顕著な一次相転移で、潜熱Δε/εc > 0.6を示す場合、QCDにCEPが存在することを示唆するか？
• RQ3 除外体積効果と多クォーク相互作用は、ハイブリッド星における質量二重星の形成にどのように影響するか？
• RQ4 分離した質量と半径データのベイズ解析は、二重星現象の検出確率を信頼性高く評価できるか？
• RQ5 回転やパスタ相などの天体物理学的摂動に対して、コンパクト星の第三族はどの程度頑健か？

主な発見

• 質量-半径図における高質量二重星の存在は、0 Kにおける一次相転移を示し、臨界エネルギー密度の60％を超える潜熱（Δε/εc > 0.6）を伴うことを示唆する。
• T=0におけるこのような強力な一次相転移は、対称物質においても一次相転移の性質を保ち続け、QCD相図における臨界終点（CEP）の存在を確認する。
• ハドロン的EoSに除外体積効果を組み込み、クォーク相互作用に高次項を含めることで、EoSが十分に硬くなり、2 M⊙を超える質量を持つハイブリッド星を支持できるようになる。
• 第三族分岐は、高速回転やパスタ相の存在下でも維持され、二重星現象の頑健性を示している。
• 分離した質量と半径の制約を用いたベイズ解析により、中性子星二重星の半径を測定することが、密度物質における一次相転移の存在を支持する強力な可能性を示している。
• 短い半径と大きな半径を持つ二つの星について、同時に高精度の質量と半径測定がなされた場合、二重星現象の決定的証拠が得られる可能性がある。