[論文レビュー] Thermodynamical description of hadron-quark phase transition and its implications on compact-star phenomena

Nobutoshi Yasutake, Tsuneo Noda+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2012

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ギブズ条件と有限サイズ効果を用いて不均一な'パスタ'構造を組み込んだ、中性子星におけるハドロン-クォーク相転移の熱力学的に整合性のある記述を提示する。電荷スクリーニング、熱的効果、ニュートリノ捕獲がパスタ相を不安定化させ、重力波信号、冷却挙動、超新星の力学に影響を与えることが示され、クォーク相におけるカラースーパーコンダクティビティが観測と整合する冷却速度を実現する。

ABSTRACT

One of the most promising possibilities may be the appearance of quark matter in astrophysical phenomena in the light of recent progress in observations. The mechanism of deconfinement is not well understood, but the thermodynamical aspects of the hadron-quark (HQ) phase transition have been extensively studied in recent years. Then the mixed phase of hadron and quark matter becomes important; the proper treatment is needed to describe the HQ phase transition and derive the equation of state (EOS) for the HQ matter, based on the Gibbs conditions for phase equilibrium. We here adopt a EOS based on the baryon-baryon interactions including hyperons for the hadron phase, while we use rather simple EOS within the MIT bag model in the quark phase. For quark matter we further try to improve the previous EOS by considering other effective models of QCD. One of the interesting consequences may be the appearance of the inhomogeneous structures called "pasta", which are brought about by the surface and the Coulomb interaction effects. We present here a comprehensive review of our recent works about the HQ phase transition in various astrophysical situations: cold catalyzed matter, hot matter and neutrino-trapped matter. We show how the pasta structure becomes unstable by the charge screening of the Coulomb interaction, thermal effect or the neutrino trapping effect. Such inhomogeneous structure may affect astrophysical phenomena through its elasticity or thermal properties. Here we also discuss some implications on supernova explosion, gravitational wave and cooling of compact stars.

研究の動機と目的

• 多成分系における保存量（バリオン数および電気的電荷）を考慮したギブズ条件を用いて、中性子星におけるハドロン-クォーク相転移の熱力学的に整合性のある枠組みを構築すること。
• 表面張力、クーロン相互作用、有限サイズ効果を考慮した、混合相における不均一なパスタ構造の役割を調査すること。
• 熱的効果、ニュートリノ捕獲、電荷スクリーニングが混合相の安定性および構造に与える影響を検討すること。
• 重力波放射、中性子星の冷却、超新星の力学といった天体物理学的影響を調査すること。
• カラースーパーコンダクティビティを有するハドロン-クォーク混合相が、観測された中性子星質量および冷却挙動を説明する可能性を評価すること。

提案手法

• バリオン数および電気的電荷といった保存量を有する多成分系における相平衡のためのギブズ条件の適用により、マクスウェル構成を置き換えること。
• ハイペロンを含むバリオン-バリオン相互作用に基づく現実的な状態方程式（EOS）を、ハドロン相に用いること。
• クォーク相にミッド・バッグモデルを用い、有限の表面張力およびクーロン相互作用を組み込むこと。
• 周期的境界条件およびグリッドベースの緩和を用いた相対論的平均場モデルとトーマス・フェルマー近似を用いた3次元数値計算により、平衡密度分布を決定すること。
• 電荷スクリーニングおよび熱的効果を組み込み、パスタ幾何構造（ドロップレット、ロッド、スラブ）の安定性を評価すること。
• 重力波モード（fモード、p₁モード、gモード）および巨大フレアにおける準周期的振動（QPO）を分析し、混合相の構造を調べること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限サイズ効果およびクーロン相互作用の組み込みが、ハドロン-クォーク混合相の安定性および構造にどのように影響するか？
• RQ2 熱的効果およびニュートリノ捕獲は、中性子星におけるパスタ相の形成および安定性をどのように変化させるか？
• RQ3 カラースーパーコンダクティビティを有する混合相が、理論的冷却モデルと観測された中性子星の温度分布を一致させ得るか？
• RQ4 混合相の密度不連続性および不均一構造に関連する重力波シグナルは何か？
• RQ5 パスタ構造の弾性および熱的性質は、中性子星の力学およびニュートリノ輸送にどのように影響するか？

主な発見

• 表面張力およびクーロン相互作用の結果、ハドロン-クォーク混合相は不均一なパスタ構造を示すが、電荷スクリーニングおよび熱的効果によって不安定化する。
• 熱的効果およびニュートリノ捕獲効果はパスタ相の安定性を低下させ、特にロッドおよびスラブ構造が抑制され、より均一な混合相へと向かう。
• 3次元数値計算により、幾何形状を事前に仮定せずに、標準的なパスタ構造（ドロップレット、ロッド、スラブ）の出現が確認され、特定の領域ではWS近似の妥当性が裏付けられる。
• クォーク相にカラースーパーコンダクティビティを組み込むことで、ニュートリノ発光度が抑制され、観測データと整合する冷却曲線が得られ、中性子星の「冷却問題」が解決される。
• 重力波シグナル、特にfモードおよびp₁モードの振動は、密度不連続性および混合相の状態方程式の特徴を明らかにする。
• 巨大フレアにおける準周期的振動（QPO）は、ハドロン-クォーク混合相におけるねじれ振動から生じる可能性があり、その力学的および構造的性質を調べる手がかりを提供する。