[论文解读] Identifying the QCD Phase Transitions via the Gravitational Wave Frequency from Supernova Explosion

Zhan Bai, Wei‐jie Fu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 106被引用 8

一句话总结

本文研究新形成中子星（NSs）和奇异夸克星（SQSs）中的非球对称振荡，通过引力波（GW）信号识别QCD相变。采用相对论核场理论模拟NSs，同时结合MIT袋模型与Nambu–Jona-Lasinio（NJL）模型模拟SQSs，结果表明：无论采用何种夸克物质模型，SQSs中的g模本征频率显著低于NSs，使其成为未来引力波观测中探测强子-夸克相变的稳健、模型无关的判据。

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.

研究动机与目标

• 确定非球对称振荡产生的引力波（GW）辐射是否能区分中子星（NSs）与奇异夸克星（SQSs），从而指示QCD相变。
• 评估原初中子星（PNSs）与原初奇异夸克星（PSQSs）的引力波可探测性，基于振荡阻尼时间与应变振幅。
• 评估不同方程态（EoS）下g模频率差异的鲁棒性，包括超子自由度及不同夸克物质模型（MIT袋模型与NJL模型）的影响。
• 研究方程态刚性对引力波发射效率及当前与未来探测器中可探测性的影响。

提出的方法

• 采用包含超子自由度的相对论核场理论构建中子星（NSs）的方程态（EoS）模型。
• 应用MIT袋模型与Nambu–Jona-Lasinio（NJL）模型构建奇异夸克星（SQSs）的EoS，包含动力学规范对称性自发破缺（DCSB）效应。
• 利用广义相对论中的恒星结构与微扰理论，计算非球对称振荡模态（g模、f模与p模）的本征频率。
• 基于四极矩公式与假设的振幅与距离，计算引力波阻尼 timescales，反映能量损失。
• 在不同EoS下比较NSs与SQSs的引力波应变振幅，估算在当前（如LIGO）与未来探测器中的可探测性。
• 分析g模频率对方程态刚性、组成夸克质量与中心密度的依赖性，尤其在刚性EoS情形下。

实验结果

研究问题

• RQ1 无论采用何种夸克物质模型，新生奇异夸克星（SQS）的g模本征频率是否显著低于中子星（NS）？
• RQ2 SQSs中f模与p模振荡频率与NSs相比如何？在不同方程态下是否仍可区分？
• RQ3 SQSs方程态的刚性是否影响g模振荡引力波的可探测性？
• RQ4 与NSs相比，SQSs中g模振荡的引力波应变振幅与阻尼 timescale 如何？能否被未来探测器探测到？
• RQ5 NSs与SQSs之间g模频率差异是否对EoS模型变化（包括超子贡献与DCSB效应）具有鲁棒性？

主要发现

• 无论采用MIT袋模型还是Nambu–Jona-Lasinio（NJL）模型描述夸克物质，新生奇异夸克星（SQSs）的g模本征频率均显著低于中子星（NSs）。
• SQSs中g模频率显著偏低的特性具有鲁棒性且与模型无关，其根源在于夸克物质中组成粒子的相对论性，即使在通过动力学规范对称性自发破缺（DCSB）获得大组成夸克质量后依然成立。
• 对于具有刚性方程态（EoS）的SQSs，g模频率虽有所升高，但仍远低于NSs，表明g模频率仍是可靠的判别指标。
• 对于软EoS的SQSs，g模阻尼时间极长（约10^3–10^12秒），意味着引力波能量辐射极弱，探测性差。
• 对于刚性EoS的SQSs，g模阻尼时间显著缩短（例如约2×10^6秒），且引力波应变约为NSs的1/5，因此仅在未来的探测器中才可能实现探测。
• f模与p模频率远高于g模频率，且在方程态刚性时NSs与SQSs之间难以区分，限制了其作为判别工具的实用性。