[論文レビュー] Bounds on the Equation of State of Neutron Stars from High Energy Deeply Virtual Exclusive Experiments

Allen Cris John Rubesh Rajan, Gorda, Tyler+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Geological and Geophysical Studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、QCDエネルギー運動量テンソルの行列要素から方程式状態（EoS）を導出し、ニュートン星物質の第一原理的量子色力学（QCD）記述を提案する。これらの行列要素は、深くバーチカルな排他的散乱実験で測定可能な一般化部分子分布（GPDs）と関連している。グルーオン寄与がEoSを支配し、ハドロン的EoSと接続することで、GW170817の潮汐歪み制約と2M⊙パルサー質量制限と整合するハイブリッドニュートン星モデルが得られる。

ABSTRACT

The recent detection of gravitational waves from merging neutron star events has opened a new window on the many unknown aspects of their internal dynamics. A key role in this context is played by the transition from baryon to quark matter described in the neutron star equation of state (EoS). In particular, the binary pulsar observation of heavy neutron stars requires appropriately stiff dense matter in order to counter gravitational collapse, at variance with the predictions of many phenomenological quark models. On the other side, the LIGO observations favor a softer EoS therefore providing a lower bound to the equation stiffness. We introduce a quantum chromodynamics (QCD) description of the neutron star's high baryon density regime where the pressure and energy density distributions are directly obtained from the matrix elements of the QCD energy momentum tensor. Recent ab initio calculations allow us to evaluate the energy-momentum tensor in a model independent way including both quark and gluon degrees of freedom. Our approach is a first effort to replace quark models and effective gluon interactions with a first principles, fully QCD-based description. Most importantly, the QCD energy momentum tensor matrix elements are connected to the Mellin moments of the generalized parton distributions which can be measured in deeply virtual exclusive scattering experiments. As a consequence, we establish a connection between observables from high energy experiments and from the analysis of gravitational wave events. Both can be used to mutually constrain the respective sets of data. In particular, the emerging QCD-based picture is consistent with the GW170817 neutron star merger event once we allow a first-order phase transition from a low-density nuclear matter EoS to the newly-constructed high-density quark-gluon one.

研究の動機と目的

• ニュートン星物質のモデル独立で第一原理的なQCDに基づく方程式状態（EoS）を、QCDエネルギー運動量テンソルのab initio計算を用いて確立すること。
• 高エネルギー深くバーチカルな排他的散乱実験（一般化部分子分布を通じて）の観測量を、圧力やエネルギー密度などのニュートン星の性質と結びつけること。
• 2M⊙パルサーに必要な硬めのEoSと、GW170817の潮汐歪み測定で支持されるやわらかいEoSとの矛盾を、クォーク-グルーオン物質への一次相転移を導入することで解消すること。
• 重力波と高エネルギー実験データの両方を用いて、ニュートン星におけるハドロンからクォーク物質への転移を制約する新しい枠組みを提供すること。
• 高密度領域においてグルーオン寄与がEoSを支配することを示し、高密度クォーク-グルーオン物質の硬さに関する新たな視点を提供すること。

提案手法

• クォークとグルーオンの構造関数A、B、C、C̄を用いたパラメータ化により、QCDラグランジアンを用いて核子状態間のエネルギー運動量テンソル行列要素を導出する。
• クォークとグルーオンのab initio格子QCD計算を用いて行列要素を評価し、最近のシミュレーション（例：Yang et al. 2018; Shanahan & Detmold 2018）のデータを用いる。
• 行列要素をフーリエ変換して、ニュートン星コア内のエネルギー密度、圧力、運動量の空間分布を求める。
• クォークとグルーオンの寄与からなるEoSを構築し、グルーオン成分が行列要素の値が大きいことから支配的になる。
• QCDに基づくクォーク-グルーオンEoSを、転移圧力0.2 GeV/fm³でMPA1ハドロン的EoSに接続することでハイブリッドEoSを形成し、観測されたニュートン星質量と整合するようにする。
• 第一法則の熱力学を用いて、圧力-質量密度と圧力-エネルギー密度の間の変換を行い、GW170817（潮汐歪み）とパルサーJ0348+0432の2M⊙制約に対する観測的制約と照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートン星物質の状態方程式は、エネルギー運動量テンソルの第一原理的QCD行列要素から直接導出可能か？
• RQ2 クォークとグルーオンがエネルギー運動量テンソルに与える寄与は、ニュートン星における高密度EoSの硬さにどのように影響するか？
• RQ3 QCD行列要素から導かれたEoSは、2M⊙パルサー質量制約とGW170817の潮汐歪み制約の両方にどの程度整合するか？
• RQ4 高エネルギー排他的散乱で測定される一般化部分子分布（GPDs）とニュートン星EoSとの間の関係を、重力波と加速器実験のデータを相互に制約するために利用可能か？
• RQ5 ハドロンからクォーク物質への一次相転移が、GW170817制約と整合する硬めのEoS要請を満たすために果たす役割は何か？

主な発見

• QCDに基づく状態方程式はグルーオン寄与によって支配されており、クォーク寄与は顕著に抑制されている。
• 構築されたクォーク-グルーオンEoSはエネルギー密度0.5–2 GeV/fm³の範囲でSQM3クォーク物質EoSに類似しており、既存のクォーク物質モデルと整合性があることを示している。
• 転移圧力0.2 GeV/fm³でMPA1ハドロン的EoSに接続したハイブリッドEoSは、最大ニュートン星質量が1.97M⊙を超えることを支持しており、パルサーJ0348+0432の制約を満たしている。
• モデルはGW170817の潮汐歪み制約と整合しており、特に一次相転移を考慮することで中間密度領域でEoSが軟化するため、その整合性が強化される。
• QCD行列要素のフーリエ変換から得られた圧力とエネルギー密度の分布は、グルーオンが駆動する高密度領域での硬さの傾向を示しており、質量の大きなニュートン星の存在を説明する手がかりとなる。
• この枠組みは、高エネルギー排他的散乱実験（GPDを測定）とニュートン星物理学を直接結びつけ、重力波と加速器実験のデータを相互に制約可能にする。