[논문 리뷰] The symmetry energy in nucleon and quark matter

Lie-Wen Chen|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 15.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 핵물질과 쿼크물질에서 대칭 에너지의 현재 상태를 검토하며, 밀도에 따른 의존성에 초점을 맞춘다. 봉인된스피인밀도의존질량(CIDDM) 모델을 사용하여, 두 태양질량 펄서를 쿼크성으로 설명하기 위해 u-d 쿼크물질의 대칭 에너지가 자유 쿼크 기체 또는 표준 NJL 모델의 두 배 이상이어야 한다고 보여주며, 이는 비대칭 물질에서 u와 d 쿼크 간의 강한 스핀의존성 상호작용을 암시한다.

ABSTRACT

The symmetry energy characterizes the isospin dependent part of the equation of state of isospin asymmetric strong interaction matter and it plays a critical role in many issues of nuclear physics and astrophysics. In this talk, we briefly review the current status on the determination of the symmetry energy in nucleon (nuclear) and quark matter. For nuclear matter, while the subsaturation density behaviors of the symmetry energy are relatively well-determined and significant progress has been made on the symmetry energy around saturation density, the determination of the suprasaturation density behaviors of the symmetry energy remains a big challenge. For quark matter, which is expected to appear in dense matter at high baryon densities, we briefly review the recent work about the effects of quark matter symmetry energy on the properties of quark stars and the implication of possible existence of heavy quark stars on quark matter symmetry energy. The results indicate that the $u$ and $d$ quarks could feel very different interactions in isospin asymmetric quark matter, which may have important implications on the isospin effects of partonic dynamics in relativistic heavy-ion collisions.

연구 동기 및 목표

• 핵물질과 쿼크물질에서 대칭 에너지의 밀도 의존성에 대한 현재 제약 조건을 평가하는 것.
• 최근 고질량 펄서 관측(예: PSR J1614-2230, J0348+0432)이 쿼크물질 대칭 에너지에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 2태양질량 수준의 질량을 가진 쿼크성으로 설명 가능한 현실적인 쿼크물질 모델이 존재하는지 탐색하는 것.
• 쿼크물질에서의 스핀 비대칭이 파르티클린 다이내믹스에 미치는 영향을 고려하는 것.

제안 방법

• 두 페르미온 성분의 u-d 쿼크물질 상태방정식을 기술하기 위해 봉인된스피인밀도의존질량(CIDDM) 모델을 사용한다.
• 스핀 비대칭 효과를 정량화하기 위해 대칭 에너지 전개식 $ E_{\text{sym}}(n_B, n_s) = \frac{1}{2!} \frac{\partial^2 E}{\partial \delta_q^2} \big|_{\delta_q=0} $ 를 적용한다.
• CIDDM에서의 쿼크물질 대칭 에너지 예측값을 자유 쿼크 기체 및 전통적 NJL 모델과 비교한다.
• 모델 파rameter를 고정하기 위해 고질량 펄서(PSR J1614-2230 및 J0348+0432)의 관측 제약 조건을 적용한다.
• 실험적 및 이론적 제약 조건을 사용하여 핵물질에서의 밀도 기울기 파ram터 $ L(\rho_0) $ 와 대칭 에너지 크기 $ E_{\text{sym}}(\rho_0) $ 를 평가한다.
• 다양한 파ram터 세트(예: DI-70, DI-85, DI-0)가 쿼크성 질량 및 대칭 에너지 예측에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2M☉ 펄서를 쿼크성으로 설명하기 위해 두 페르미온 성분의 u-d 쿼크물질 대칭 에너지가 어느 정도여야 하는가?
• RQ2 쿼크물질에서의 대칭 에너지는 자유 쿼크 기체 또는 표준 NJL 모델과 어떻게 다를까?
• RQ3 쿼크물질 대칭 에너지가 크게 증가하면 u와 d 쿼크 간의 스핀 의존성 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실험, 천체물리학, 이론에서의 부포화 및 초포화 밀도에서 핵물질 대칭 에너지 제약 조건은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 밀도 기울기 파ram터 $ L $ 이 포화 밀도 근처에서 대칭 에너지의 거동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 2M☉ 펄서를 쿼크성으로 설명하기 위해 두 페르미온 성분의 u-d 쿼크물질 대칭 에너지가 자유 쿼크 기체 또는 표준 NJL 모델의 두 배 이상이어야 한다.
• 파ram터 세트 DI-70(z=1.8)를 사용한 CIDDM 모델은 쿼크물질 대칭 에너지가 자유 쿼크 기체의 약 두 배임을 예측한다.
• 2SC 상에서의 대칭 에너지는 일반 쿼크물질보다 약 3배 높으며, 이는 DI-70에 대한 CIDDM 예측과 유사하다.
• 부포화 밀도에서의 핵물질 대칭 에너지 제약 조건은 일관되며 잘 제약되어 있으며, $ E_{\text{sym}}(\rho_0) = 32.5 \pm 2.5 $ MeV 및 $ L = 55 \pm 25 $ MeV 로 나타난다.
• 초포화 밀도에서의 핵물질 대칭 에너지 거동은 중성자열충돌 실험 데이터와 운동모델 간의 모순으로 인해 여전히 불확실하다.
• 쿼크물질 대칭 에너지의 강한 증가 현상은 u와 d 쿼크가 스핀 비대칭 쿼크물질에서 상당히 다른 상호작용을 경험한다는 것을 시사하며, 이는 상대론적 중입자충돌 실험에서의 파르티클린 다이내믹스에 영향을 미친다.