[논문 리뷰] Identifying the QCD Phase Transitions via the Gravitational Wave Frequency from Supernova Explosion

Zhan Bai, Wei‐jie Fu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 26.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 106인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 초신성 폭발 직후의 신규 형성된 중성자별(NSs)과 이상夸克별(SQSs)에서의 비원형 진동을 조사하여 양자 chromodynamics(QCD) 상전이를 중력파(GW) 서명을 통해 식별하고자 한다. 중성자별(NSs)에 대해서는 상대론적 핵장 이론을, 이상夸克별(SQSs)에 대해서는 MIT bag 모형과 Nambu–Jona-Lasinio(NJL) 모형을 사용하여, 두 모형 모두에서 이상夸克별(SQSs)의 g-mode 고유주파수는 중성자별(NSs)보다 상당히 낮음을 발견하였다. 이는 모형에 관계없이 매우 강력한 모형 독립적인 판별자로서, 향후 중력파 관측을 통한 핵물질-夸克물질 상전이 탐지에 유용하다.

ABSTRACT

We investigate the non-radial oscillations of newly born neutron stars (NSs) and strange quark stars (SQSs). This is done with the relativistic nuclear field theory with hyperon degrees of freedom employed to describe the equation of state for the stellar matter in NSs, and with both the MIT bag model and the Nambu--Jona-Lasinio model adopted to construct the configurations of the SQSs. We find that the gravitational-mode ($g$-mode) eigenfrequencies of newly born SQSs are significantly lower than those of NSs, which is independent of models implemented to describe the equation of state for the strange quark matter. Meanwhile, the eigenfrequencies of the other modes of non-radial oscillations, e.g., fundamental ($f$)- and pressure ($p$)-modes, are much larger than those of the $g$-mode, and is related to the stiffness of the equation of states (EoSs). In the light of the first direct observation of gravitational waves, it is promising to employ the gravitational waves to identify the QCD phase transition in high density strong interaction matter.

연구 동기 및 목표

• 비원형 진동에서 발생하는 중력파(GW) 방출이 중성자별(NSs)과 이상夸克별(SQSs)을 구분할 수 있는지, QCD 상전이 신호를 제공하는지 확인하기 위해.
• 진동 감쇠 시간과 변형 진폭을 기반으로 원시 중성자별(PNSs)과 원시 이상夸克별(PSQSs)에서 발생하는 중력파(GWs)의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 초기기반 상태의 상태방정식(EoS)에 따라 g-mode 주파수 차이가 어떻게 변하는지 평가하며, 초화성도와 다양한 쿼크물질 모형(MIT bag 대비 NJL)을 포함한 모델의 강건성 평가하기 위해.
• 상태방정식의 경도가 중력파 방출 효율성과 현재 및 향후 검출기에서의 탐지 가능성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 중성자별(NSs)의 상태방정식(EoS)을 모델링하기 위해 초화성도를 포함한 상대론적 핵장 이론을 사용하였다.
• 이상夸克별(SQSs)의 상태방정식(EoS)을 구성하기 위해 MIT bag 모형과 Nambu–Jona-Lasinio(NJL) 모형을 적용하였으며, 동적 치르알 대칭 붕괴(DCSB) 효과를 포함하였다.
• 일반상대성 이론의 별의 구조 이론과 섭동 이론을 사용하여 비원형 진동 모드(g-mode, f-mode, p-mode)의 고유주파수를 계산하였다.
• 진동 진폭과 거리 정보를 가정하여, 이중극 공식을 사용하여 중력파 감쇠 timescale을 계산하였다.
• 다양한 EoS 조건 하에서 NSs와 SQSs의 중력파 변형 진폭을 비교하고, 현재(LIGO 등) 및 향후 검출기에서의 탐지 가능성 추정하였다.
• 특히 경직된 EoS 조건에서 구성입자 질량과 중심 밀도에 따른 g-mode 주파수의 의존성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIT bag 모형 또는 Nambu–Jona-Lasinio(NJL) 모형을 사용하더라도, 신규 형성된 이상夸克별(SQS)의 g-mode 고유주파수는 중성자별(NS)보다 상당히 낮을 수 있는가?
• RQ2 SQSs의 f-mode와 p-mode 진동 주파수는 NSs와 비교해 어떻게 다른가? 그리고 다양한 상태방정식 조건에서도 구분 가능할까?
• RQ3 SQSs의 상태방정식(EoS)의 경도가 g-mode 진동에서 발생하는 중력파의 탐지 가능성에 영향을 미치는가?
• RQ4 SQSs의 g-mode 진동에서 중력파 변형 진폭과 감쇠 timescale은 NSs와 비교해 어떻게 되며, 향후 검출기에서는 탐지 가능할까?
• RQ5 NSs와 SQSs 간의 g-mode 주파수 차이는 초화성도 기여와 DCSB 효과를 포함한 다양한 상태방정식 모형 변화에 대해 강건한가?

주요 결과

• MIT bag 모형 또는 Nambu–Jona-Lasinio(NJL) 모형을 사용하더라도, 신규 형성된 이상夸克별(SQSs)의 g-mode 고유주파수는 중성자별(NSs)보다 상당히 낮다.
• 이 낮은 g-mode 주파수는 상대론적 쿼크물질 내 구성입자의 성격에서 기인하며, 동적 치르알 대칭 붕괴(DCSB)로 인해 이상 쿼크가 큰 구성질량을 갖더라도 모형 독립적으로 유지된다.
• 경직된 상태방정식(EoS) 조건을 가진 SQSs의 경우 g-mode 주파수가 증가하지만 여전히 NSs보다 크게 낮아, g-mode 주파수가 여전히 신뢰할 수 있는 판별자임을 시사한다.
• 부드러운 EoS를 가진 SQSs의 경우 g-mode 감쇠 timescale이 매우 길다(10^3–10^12 초의 주기), 이는 중력파 에너지 방출이 극히 적고 탐지가 어려움을 의미한다.
• 경직된 EoS를 가진 SQSs의 경우 g-mode 감쇠 timescale이 부드러운 EoS SQSs보다 상당히 짧아지며(예: 약 2×10^6 s), 중력파 변형 진폭은 NSs보다 약 5배 약해져 향후 세대 검출기에서만 탐지 가능하다.
• f-mode와 p-mode 주파수는 g-mode 주파수보다 훨씬 높으며, 경직된 EoS 조건에서는 NSs와 SQSs 간에 구분이 어려워져 판별 수단으로서의 유용성이 제한된다.