[논문 리뷰] A new class of hybrid EoS with multiple critical endpoints for simulations of supernovae, neutron stars and their mergers

O. Ivanytskyi, D. Blaschke|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 06.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 44인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 중성자별의 하이브리드 상태방정식(EoS)에 대해 유한온도 효과와 쿼크물질 내 색초전도성(superconductivity)을 포함한 새로운 이중영역 보간법(TZIS)을 제안한다. 교차전이와 제1종 전이를 모두 모델링함으로써, 색초전도성이 초신성 붕괴 중 온도 변화를 증가시켜 중성자별 융합 및 고에너지 충돌 실험과 관련된 QCD 상도 영역에 접근할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We introduce a family of equations of state (EoS) for hybrid neutron star (NS) matter that is obtained by a two-zone parabolic interpolation between a soft hadronic EoS at low densities and a stiff quark matter EoS with color superconductivity at high densities within a finite region of baryonic chemical potentials $\mu_B^h < \mu_B < \mu_B^q$. We consider two scenarios corresponding to a cross-over and a strong first-order transition between quark and hadron phases considered at finite and zero temperatures. This allows us to analyze the effects of finite entropy on the EoS and mass-radius relation of NS. We demonstrate that the formation of a color superconducting state of quark matter drives the evolution of matter in supernovae explosions under the condition of entropy conservation to higher temperatures than in the case of deconfinement to normal quark matter. Within the presented hybrid EoS scenario, regions of the QCD phase diagram may be accessible to supernovae and NS mergers that can be reached also in terrestrial experiments with relativistic heavy ion collisions.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 중성자별 물질에 대한 유한온도 확장된 이중영역 보간법(TZIS)을 개발하기 위해.
• 색초전도성이 원시중성자별 내 쿼크-하드론 전이에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 유한한 비열입자당 엔트로피(s/nB)가 원시중성자별의 질량-반지름 관계에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 초신성 및 이중 중성자별 융합 환경이 상대론적 고에너지 이온 충돌에서 관측 가능한 QCD 상도 영역에 접근할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 낮은 밀도에서 연성 있는 하드론 EoS와 높은 밀도에서 색초전도성을 포함한 강성 있는 쿼크물질 EoS를 이중영역 파라볼라 보간법으로 연결한다.
• 일치선 μc(T) 沿해 조절 가능한 함수 ∆n[µc(T)]를 통해 전이를 교차전이(연속적 밀도) 또는 제1종 전이(불연속적 밀도)로 모델링한다.
• 쿼크물질 EoS는 스칼라 이쿠아크 쌍성립( pairing)을 포함한 봉인된 밀도 기반 기법에 기반하며, 2SC 상과 색초전도성을 가능하게 한다.
• 모델은 비열입자당 엔트로피(s/nB)를 포함하며, 원시중성자별에 대해 톨만-오펜하이머-볼코프(TOV) 방정식을 해결하는 데 적용된다.
• MZS 결과와 비교하기 위해 맥스웰 구조(Maxwell construction)를 기준으로 사용한다.
• 다중 임계점(CEPs)을 포함한 상도 분석을 수행하며, 캐리컬 대칭 붕괴와 이쿠아크 조인딩의 경쟁으로 인해 고온과 저온에 각각 하나의 임계점이 존재한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한온도는 하이브리드 중성자별 물질 내 쿼크-하드론 전이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 색초전도성은 혼합상 경계와 전이 온도를 어떻게 형성하는가?
• RQ3 비열입자당 엔트로피와 온도는 원시중성자별의 질량-반지름 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 초신성 및 이중 중성자별 융합 환경은 고에너지 이온 충돌에서 관측 가능한 QCD 상도 영역에 접근할 수 있는가?
• RQ5 이중영역 보간법이 QCD 상도 영역 내 임계점의 위치와 성격에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 쿼크물질 내 색초전도성이 정상적인 쿼크물질보다 쿼크-하드론 전이 온도를 높이며, 원시중성자별의 진화가 QCD 상도 영역의 고온 영역으로 향하게 한다.
• 제1종 전이를 가진 TZIS는 맥스웰 구조보다 혼합상에서 더 심한 EoS 연성화를 유도한다. 이는 더 큰 쿼크물질 체적율 때문이며.
• s/nB = 0.5일 때, TZIS 및 맥스웰 구조 모두에서 모든 관측 제약 조건(예: R1.4 ≤13.6 km 및 R1.6 ≥10.68 km)을 충족한다.
• s/nB = 1.0일 때, 제1종 전이를 가진 맥스웰 구조만 제약 조건을 충족하며, n* = 0.15 fm−3인 TZIS는 근사적인 일치만 보인다.
• s/nB = 1.5일 때, 원시중성자별 반지름은 R1.4 ≃16–17 km로 크게 증가하여 저밀도에서 강한 엔트로피 유도 연성화가 발생함을 시사한다.
• 모델은 캐리컬 대칭 붕괴와 이쿠아크 조인딩의 경쟁으로 인해 저온 영역에 두 번째 임계점이 존재함을 밝혀내어, 이전에 모델링된 것보다 더 풍부한 QCD 상도 영역의 구조를 가능하게 한다.