[논문 리뷰] Nonlocal PNJL models and heavy hybrid stars

D. Blaschke, David Alvarez-Castillo외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 25.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 밀도에 따라 변화하는 벡터 상호작용을 포함한 비국소적 폴리코프-NJL 모델을 제안하며, 라티스 QCD 데이터에 캘리브레이션된 운동량에 의존하는 쿼크 질량과 파동함수 정규화를 고려하여 밀도가 높은 별 내의 쿼크 물질을 기술한다. 밀도에 따라 변화하는 벡터 상호작용을 도입함으로써, 2 M⊙를 초월하는 하이브리드 별을 지지하는 강성 있는 상태방정식(EoS)을 달성하여 마스카레이드 문제를 해결하고, 1.4 M⊙ 중성자별입니다로도 조기에 쿼크 탈구속화가 가능하게 한다.

ABSTRACT

Nonlocal PNJL models allow for a detailed description of chiral quark dynamics with running quark masses and wave function renormalization in accordance with lattice QCD (LQCD) in vacuum. Their generalization to finite temperature T and chemical potential μ allows to reproduce the μ-dependence of the pseudocritical temperature from LQCD when a nonvanishing vector meson coupling is adjusted. This restricts the region for the critical endpoint in the QCD phase diagram and stiffens the quark matter equation of state (EoS). It is demonstrated that the construction of a hybrid EoS for compact star applications within a two-phase approach employing the nonlocal PNJL EoS and an advanced hadronic EoS leads to the masquerade problem. A density dependence of the vector meson coupling is suggested as a possible solution which can be adjusted in a suitable way to describe hybrid stars with a maximum mass in excess of 2 M_sun with a possible early onset of quark deconfinement even in the cores of typical (M ~ 1.4 M_sun) neutron stars.

연구 동기 및 목표

• 비국소적 상호작용을 사용하여 쿼크 물질 상태방정식(EoS)을 강성화함으로써 하이브리드 별 모델에서 마스카레이드 문제를 해결하기 위해.
• 라티스 QCD(LQCD) 진공 데이터와 일치하는 운동량에 의존하는 쿼크 질량과 파동함수 정규화(WFR)를 포함하기 위해.
• 벡터 상호작용 강도를 결정하기 위해 LQCD 데이터에서 얻은 허구적 전이 온도의 μ-의존성에 기반하여 모델을 캘리브레이션하기 위해.
• 화학적 포텐셜에 의존하는 벡터 상호작용이 하이브리드 별 구조에 미치는 영향과 관측 제약 조건과의 호환성을 탐색하기 위해.
• 현재의 관측 제약 조건을 만족하면서도 일반적인 1.4 M⊙ 중성자별의 핵에서 조기에 쿼크 탈구속화가 발생할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 운동량에 의존하는 쿼크 질량과 WFR를 모델링하기 위해 레이저형형태인 포텐셜을 사용한 비국소적 나무부-요나-라스니오(NJL) 라그랑지안을 사용하며, 스칼라, 편극, 벡터 상호작용 채널을 포함한다.
• μ-의존적인 로그 효과적 잠재력(식 4)을 통해 폴리코프 루프를 통합하며, T와 μ의 의존성에 대해 LQCD 데이터에 캘리브레이션한다.
• 유한한 T와 μ에서 마츠바라 형식을 사용하여 열역학적 양과 상 구조(비판적 종점 포함)를 계산한다.
• 비국소 모델에 대해 평균장 근사를 적용하여 운동량에 의존하는 질량과 WFR를 갖는 쿼크 전파함수와 자기에너지 함수를 유도한다.
• 맥스웰 수축을 통해 비국소 PNJL EoS와 강입자 EoS(APR 및 DBHF)를 조합하여 하이브리드 상태방정식을 구성한다.
• 하이브리드 EoS를 사용하여 톨만-오펜하이머-볼코프 방정식을 풀어 비회전 별의 질량-반지름 관계와 중심 밀도 프로파일을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WFR와 벡터 상호작용을 포함한 비국소 PNJL 모델이 쿼크 질량 함수와 진공에서의 파동함수 정규화에 대해 LQCD 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ2 비국소 PNJL 모델에 운동량에 의존하는 쿼크 질량과 WFR를 포함할 경우, 영온도에서 쿼크 물질 EoS가 더 강성 있게 되는가?
• RQ3 밀도에 따라 변화하는 벡터 상호작용 강도가 하이브리드 별 모델에서 마스카레이드 문제를 해결할 수 있는가?
• RQ4 이 모델 하에서 중성자별 핵에서 쿼크 물질 탈구속화가 발생할 수 있는 최소 질량은 얼마인가?
• RQ5 이 모델에 기반한 하이브리드 별 시퀀스가 PSR J1614-2230와 RX J1856.5-3754의 관측 제약 조건을 모두 만족하는가?

주요 결과

• WFR를 포함한 비국소 PNJL 모델은 진공 상태에서 쿼크 질량 함수와 파동함수 정규화에 대해 LQCD 데이터를 성공적으로 재현한다.
• 벡터 상호작용 강도를 조정할 경우, 모델의 허구적 전이 온도의 μ-의존성 예측은 LQCD 결과와 일치하며, 비판적 종점의 위치를 제약 조건으로 둔다.
• 매질의 의존성이 없는 표준 비국소 PNJL EoS는 부드러운 EoS로 인해 2 M⊙를 초월하는 하이브리드 별을 지지하지 못하여 마스카레이드 문제가 발생한다.
• 밀도에 따라 변화하는 벡터 상호작용을 도입함으로써 모델은 쿼크 물질 EoS를 충분히 강성 있게 만들 수 있으며, 2 M⊙를 초월하는 하이브리드 별을 지지할 수 있다.
• DBHF 강입자 EoS에 기반한 하이브리드 별 시퀀스는 PSR J1614-2230의 질량 제약 조건과 RX J1856.5-3754의 반지름 제약 조건을 모두 충족한다.
• 적절한 μ-의존성 벡터 상호작용을 통해 1.4 M⊙ 중성자별의 핵에서 쿼크 탈구속화가 발생할 수 있으며, 이는 현재의 모든 관측 제약 조건과 일치한다.