[論文レビュー] GW190814: Circumstantial Evidence for Up-Down Quark Star

Zheng Cao, Lie-Wen Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、質量2.59 M☉を示すGW190814の二次的成分が、奇妙クォーク星（SQS）や中性子星ではなく、アップ-ダウンクォーク星（ud QS）である可能性を提案している。クォークの閉じ込めとチラル対称性の回復、クォークの脱閉じ込めを組み込んだ閉じ込め型クォーク物質モデルを用いて、核物質および奇妙クォーク物質よりも安定性の高いud QMが、2.87 M☉の最大静的質量を示すことを示している。これは、GW170817の潮汐歪みおよびNICERによるPSR J0030+0451/J0740+6620の質量-半径制約と整合的である。一方、従来のSQSモデルは、これらの制約を満たさない。

ABSTRACT

Within a confining quark matter model which considers phenomenologically the quark confinement and asymptotic freedom as well as the chiral symmetry restoration and quark deconfinement at high baryon density, we find that if the up-down quark matter ($ud$QM) is more stable than nuclear matter and strange quark matter (SQM), the maximum mass of static quark stars with $ud$QM is $2.87M_{\odot}$ under agreement with both the constraints on star tidal deformability from gravitational wave signal GW170817 and the mass-radius of PSR J0030+0451 and PSR J0740+6620 measured by NICER. In contrast, the conventional strange quark star with the SQM that is more stable than nuclear matter while the nuclear matter is more stable than $ud$QM, has a maximum static mass of only $1.87M_{\odot}$ and its radius significantly deviates from NICER's constraint. Our results thus provide circumstantial evidence suggesting the recently reported GW190814's secondary component with a mass of $2.59^{+0.08}_{-0.09}M_\odot$ could be an up-down quark star.

研究の動機と目的

• GW190814二重星系における二次的成分としてのアップ-ダウンクォーク星（ud QS）の妥当性を評価すること。
• 閉じ込め型クォーク物質モデル内での核物質および奇妙クォーク物質（SQM）と比較して、アップ-ダウンクォーク物質（ud QM）がより安定であるかどうかを評価すること。
• GW170817（潮汐歪み）およびNICER（PSR J0030+0451およびJ0740+6620の質量-半径測定）からの観測的制約を満たすか、ud QSモデルの妥当性をテストすること。
• 核物質よりも安定であると仮定する従来の奇妙クォーク星（SQS）モデルと比較して、ud QSモデルの予測を検討すること。

提案手法

• 高核密度におけるクォークの閉じ込め、漸近的自由性、およびチラル対称性の回復を組み込んだ閉じ込め型クォーク物質（CQM）モデルを用いる。
• CQMモデルから導かれた状態方程式（EOS）を用いて、Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程式を用いて静的クォーク星の構造（質量および半径）を計算する。
• GW170817の潮汐歪み（Λ ~ 300）およびNICERによるPSR J0030+0451およびJ0740+6620の測定値を適用し、モデルの整合性をテストする。
• 異なる安定性仮定下でのud QSと従来のSQSの予測最大質量および半径を比較する。
• 質量式およびトーマス-フェルミ近似を用いて、仮想のud QMナゲット（ud レット）の安定性を評価するための表面張力の評価を行う。
• CQMモデルのハミルトニアンを用いて、クォークのベクトル相互作用が表面張力および曲率エネルギーをどのように向上させるかを調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アップ-ダウンクォーク物質（ud QM）は、核物質および奇妙クォーク物質（SQM）よりも安定である可能性があり、それにより安定なアップ-ダウンクォーク星（ud QS）の形成が可能になるか？
• RQ2 核物質よりも安定であると仮定するud QSモデルは、GW170817の潮汐歪み制約を満たすか？
• RQ3 ud QSモデルは、NICERが観測したPSR J0030+0451およびJ0740+6620の質量-半径測定値を再現できるか？
• RQ4 なぜ従来の奇妙クォーク星（SQS）モデルは、GW170817およびNICERの両方の制約を満たさないのか？
• RQ5 294Ogのような超重い原子核がud QMナゲットに崩壊するのを防ぐために、ud QMに必要な表面張力はどの程度か？

主な発見

• 核物質および奇妙クォーク物質（SQM）よりも安定なud QMを仮定した場合、アップ-ダウンクォーク星（ud QS）の最大静的質量は2.87 M☉であり、観測的制約と整合的である。
• 核物質よりも安定であると仮定する従来の奇妙クォーク星（SQS）モデルでは、最大静的質量はたったの1.87 M☉にとどまり、NICERの半径制約から著しく逸脱している。
• 本モデルは、ud QSモデルにおいて、Λ(1.4 M☉) = 675およびΛ(q=0.73) = 720を予測しており、GW170817のΛ ~ 300という制約を満たしている。
• νs = 1.08を仮定する非従来型SQSモデル（ucSQS2.80）は、NJLモデルが予測する奇妙クォーク質量（Ms）の密度依存性を著しく違反しており、強く否定されるべきである。
• 294Ogがud QMナゲットに崩壊するのを防ぐために、ud QMの表面張力は≥165 MeV/fm²である必要がある。これはNJLモデルの予測と整合的であるが、クォーク-メソンモデルの19.35 MeV/fm²とは著しく高い値である。
• 本研究は、ud QMナゲット（ud レット）が核の地図における新たな「安定の島」を形成する可能性があり、高エネルギー核反応および二重クォーク星合体の過程で生成される可能性があると示唆している。