[論文レビュー] The sound speed and core of massive compact stars: A manifestation of hadron-quark duality

Yong-Liang Ma, Mannque Rho|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、強い核相関から生じる顕在的クォーク自由度ではなく、局所ゲージおよび擬似自己随伴対称性という隠れた対称性の出現によって、質量の大きなコンパクト星の核において、$3n_0$ 以上の密度で、$v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$ の擬似自己随伴音速が現れることを提案する。このメカニズムは、トポロジーの変化とチェシャ猫原理に根ざしており、分数電荷を有する準粒子を介してハドロン的およびクォーク的挙動を統合し、天体物理学的観測と整合する新しいハドロン-クォーク双対性フレームワークを提供する。

ABSTRACT

When baryon-quark continuity is formulated in terms of a topology change without invoking "explicit " QCD degrees of freedom at a density higher than twice the nuclear matter density $n_0$ the core of massive compact stars can be described in terms of fractionally charged particles, behaving neither like pure baryons nor deconfined quarks. Hidden symmetries, both local gauge and pseudo-conformal (or broken scale), lead to the pseudo-conformal (PC) sound velocity $v_{pcs}^2/c^2\approx 1/3$ at $\gsim 3n_0$ in compact stars. We argue these symmetries are "emergent" from strong nuclear correlations and conjecture that they reflect hidden symmetries in QCD proper exposed by nuclear correlations. We establish a possible link between the quenching of $g_A$ in superallowed Gamow-Teller transitions in nuclei and the precocious onset at $n\gsim 3n_0$ of the PC sound velocity predicted at the dilaton limit fixed point. We propose that bringing in explicit quark degrees of freedom as is done in terms of the "quarkyonic" and other hybrid hadron-quark structure and our topology-change strategy represent the "hadron-quark duality" formulated in terms of the Cheshire-Cat mechanism~\cite{CC} for the smooth cross-over between hadrons and quarks. Confrontation with currently available experimental observations is discussed to support this notion.

研究の動機と目的

• 明示的なクォーク自由度を用いずに、$n_0$ を超える密度における質量の大きなコンパクト星の状態方程式（EOS）を説明すること。
• トポロジーの変化と顕在的対称性を介した、高密度物質におけるバリオン-クォーク連続性のメカニズムを確立すること。
• およそ $3n_0$ での $v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$ の早期発現が、超許容ギャモウ＝ゲーラー遷移における $g_A$ の抑制と関連しているかを特定すること。
• 核内における分数電荷を有する準フェルミ粒子が、ハドロン的およびクォーク的物質の滑らかなクロスオーバーを表していると提案すること。
• 重力波波形を含む、このモデルを従来のクォークイックニクス的またはRMFモデルと区別する観測的兆候を同定すること。

提案手法

• 高密度多バリオン系物質におけるトポロジーの変化を介して、明示的QCD自由度を用いずにバリオン-クォーク連続性を定式化すること。
• 高密度、特に $3n_0$ を超える領域で、隠れた局所対称性（HLS）および擬似自己随伴（PC）対称性を顕在的性質として組み込むこと。
• チェシャ猫機構（CC）を用いて、ハドロン的およびクォーク的挙動の滑らかなクロスオーバーを記述し、性質がネズミの笑顔のように「消える」様子を表現すること。
• ベクトルメソン（$\rho, \omega$）およびスカラー $f_0(500)$ を用いた有効場理論で状態方程式（EOS）をモデル化し、隠れた対称性で制約を加えること。
• スズキの定理を適用して、高密度におけるHLSフレームワークのゲージ不変性と整合性を保証すること。
• 予測された音速プロファイルを、質量の大きな中性子星および重力波信号からの観測的制約と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明示的なクォーク自由度を用いずに、高密度物質におけるバリオン-クォーク連続性はどのように実現可能か？
• RQ2 隠れた対称性（局所ゲージおよび擬似自己随伴）が、高密度における音速の形状に果たす役割は何か？
• RQ3 およそ $3n_0$ での $v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$ の早期発現は、$g_A$ の抑制といった核の性質と関連づけられるか？
• RQ4 チェシャ猫機構は、コンパクト星の核における滑らかなハドロン-クォーククロスオーバーをどのように促進するか？
• RQ5 重力波波形を含む、このモデルをクォークイクニクス的またはRMFベースのモデルと区別する観測的兆候は何か？

主な発見

• 質量の大きなコンパクト星の核では、$\gtrsim 3n_0$ の密度で音速が $v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$ に達し、これは擬似自己随伴対称性と整合的である。
• この擬似自己随伴音速は、強い核相関によって誘発される隠れた局所対称性と擬似自己随伴対称性の相乗作用から生じる。
• この音速の発現が $\sim3n_0$ で起こることと、ドライソン限界固定点と一致し、超許容ギャモウ＝ゲーラー遷移における $g_A$ の抑制と相関している。
• このモデルは、核が分数電荷を有する準フェルミ粒子で構成されており、これはハドロン-クォーク双対性のトポロジー的実現を表していると予測する。
• 真の脱コンfinementおよび真のクォーク物質の始まりは、核領域をはるかに超えて $\gtrsim 25n_0$ でのみ起こると推測される。
• 中性子星合体に伴う重力波波形は、このトポロジー駆動モデルを他のモデルと区別する決定的実験的証拠となる可能性がある。