[論文レビュー] Non-congruent Phase Transitions in Cosmic Matter and in the Laboratory

Igor Iosilevskiy|arXiv (Cornell University)|May 23, 2010

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、宇宙物質や実験プラズマを含む高エネルギー密度系における非合同相転移（NCPT）を調査し、異なる化学組成を有する相の共存が例外的ではなく、むしろ一般的であることに注目している。NCPTがP-Tおよびμ-T平面における二次元の相境界（バナナ型領域）を生じさせることを示し、これにより合同転移とは根本的に異なる熱力学的挙動が生じることを明らかにした。

ABSTRACT

Non-congruence appears to be the most general form of phase transition in cosmic matter and in the laboratory. In terrestrial applications noncongruencemeans coexistence of phases with different chemical composition in systems consisting of two (or more) chemical elements. It is just the case for all phase transitions in high-temperature chemically reactive mixtures, which are typical for uranium-bearing compounds in many nuclear energy devices, both contemporary and perspective. As for cosmic matter, most of real and hypothetical phase transitions without nuclear reactions, i.e., those in the interiors of giant planets (solar and extrasolar), those in brown dwarfs and other sub-stellar objects, as well as in the outer crust of compact stars, are very plausible candidates for such type of phase transformations. Two exotic phase transitions, the gas-liquid phase transition in dense nuclear matter and the quark-hadron transition occuring in the interior of compact stars as well as in high-energy heavy-ion collisions are under discussion as the most extreme example of hypothetical non-congruence for phase transformations in High Energy Density Matter.

研究の動機と目的

• 高温で化学反応を示す系における非合同相転移（NCPT）を、一般の相挙動の形として確立すること。
• NCPTが地上核エネルギー系および天体的環境における熱力学的・動的性質に与える影響を分析すること。
• 密度の高い核物質、クォーク・ハドロン転移、および高エネルギー重イオン衝突においてNCPTが発生する条件を明確にすること。
• 局所的・全域的電気的中性、β平衡などの異なる仮定のもとで、相転移における合同的・非合同的挙動の違いを区別すること。

提案手法

• 可変化学计量を有する二相系の平衡制約を導出するために、化学的熱力学およびギブズ＝ガッペン条件を適用する。
• マクスウェルの等面積法則および二重接線法を用いて、化学反応性混合系における相共存をモデル化する。
• 異なる物理的仮定の下でのP-Tおよびμ-T平面における相境界を分析する：(I) 電子なし、クーロン力なし；(II) 電子あり、全域的電気的中性；(III) 混合相における局所的非中性。
• マクロな相平衡（ギブズ＝ガッペン）とミクロな混合相状況（単純および構造的「パスタ相」）の区別を行う。
• マクロな相、単純混合相、構造的混合相の枠組みにおいてクォーク・ハドロン転移を評価する。
• 熱力学的トポロジーと臨界点構造を用いて、VdW型（合同的）挙動と非合同的挙動を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非合同性は、合同相転移と比較してP-Tおよびμ-T平面における相境界のトポロジーにどのように影響するか？
• RQ2 密度の高い核物質やクォーク・ハドロン系における相転移が、合同的または非合同的と分類される条件は何か？
• RQ3 なぜ等温NCPTでは開始・終了圧力が異なり、等圧NCPTでは開始・終了温度が異なるのか？
• RQ4 パスタ相などのミクロスコピック構造は、白色矮星内部における相転移の合同性にどのように影響するか？
• RQ5 局所的中性と全域的中性のどちらが、NCPTの熱力学的性質を決定づけるか？

主な発見

• 化学反応性系における非合同相転移は、合同転移が有する一次元の飽和曲線とは異なり、P-Tおよびμ-T平面に二次元の相境界（バナナ型領域）を生じさせる。
• 等温NCPTでは開始・終了圧力が異なり、等圧NCPTでは開始・終了温度が異なるため、標準的なVdW型挙動とは根本的に異なる挙動を示す。
• 全域的電気的中性およびβ平衡を満たす系（例：水素様プラズマ）では、相転移は強制的・合同的となり、VdW型挙動に類似する。
• 局所的電気的非中性（単純混合相）が成立する場合、同じ系は非合同的となり、可変化学计量に起因して二次元の相境界を示す。
• 単純混合相状況におけるクォーク・ハドロン転移は非合同的であり、マクロな相平衡で期待される一次元曲線とは異なり、二次元のP-Tおよびμ-T境界を示す。
• 高度なミクロスコピックモデル（例：「パスタ相」）は新たな複雑性を導入し、合同性の状態が自明ではなくなるため、地上の類似系とは別個に分析を要する。