[論文レビュー] Pairing and superfluidity of nucleons in neutron stars

A. Gezerlis, C. J. Pethick+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、中性子星における中性子および陽子の対形成と超流動性について、包括的な理論的レビューを提供しており、低密度における1S0対形成と高密度における3P2および陽子対形成に焦点を当てる。量子モンテカルロ法と超低温原子ガスからの知見を用いて、多数体力および非中心的相互作用の影響により、高密度における対ギャップに関する主要な不確実性を特定する一方で、中性子超流動密度および集団モードが格子構造およびコherence長効果に強く依存することを確立する。

ABSTRACT

We survey the current status of understanding of pairing and superfluidity of neutrons and protons in neutron stars from a theoretical perspective, with emphasis on basic physical properties. During the past two decades, the blossoming of the field of ultracold atomic gases and the development of quantum Monte Carlo methods for solving the many-body problem have been two important sources of inspiration, and we shall describe how these have given insight into neutron pairing gaps. The equilibrium properties and collective oscillations of the inner crust of neutron stars, where neutrons paired in a $^1$S$_0$ state coexist with a lattice of neutron-rich nuclei, are also described. While pairing gaps are well understood at densities less than one tenth of the nuclear saturation density, significant uncertainties exist at higher densities due to the complicated nature of nucleon-nucleon interactions, the difficulty of solving the many-body problem under these conditions, and the increasing importance of many-nucleon interactions. We also touch more briefly on the subject of pairing of neutrons in other angular momentum states, specifically the $^3$P$_2$ state, as well as pairing of protons.

研究の動機と目的

• 中性子星における中性子および陽子の対形成の理論的基盤を理解すること、特に超流動性およびその巨視的結果の文脈での理解を目的とする。
• 核密度を超える密度における対ギャップ予測の顕著な不確実性を扱う。これは、複雑な核子-核子相互作用および多数体力の影響によるものである。
• 中性子超流動、内皮における結晶格子、および集団的流体力学的モードの間の相互作用を調査すること。
• 誘導相互作用および量子モンテカルロ法が、特に低密度の中性子物質における対ギャップ予測の改善に果たす役割を評価すること。
• 3P2対形成および陽子対形成のモデル化における未解決の課題を特定すること。ここでは、非一様な相互作用およびマイノリティ成分効果への感受性が高まる。

提案手法

• 中性子星における超流動的対形成を記述するための基礎的枠組みとして、Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理論を採用する。
• 特に低密度において解析的近似が信頼できる状況において、多数体問題を解くために量子モンテカルロ法を適用する。
• 誘導相互作用の役割を解釈するために、超低温フェルミガスとの類似性を用いる。
• 内皮を中性子超流動と中性子過剰な原子核の格子から成る二流体系としてモデル化し、長波長集団モードを記述するために流体力学的方程式を用いる。
• バンド構造およびコherence長効果を用いて中性子超流動密度を計算し、格子振動を考慮するためにデバイ＝ウォーラー係数を組み込む。
• 非中心的および三体核子相互作用が対ギャップに与える影響を評価する。特に3P2チャンネルおよび高密度領域での影響を対象とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘導相互作用および量子モンテカルロ法は、低密度の中性子物質における1S0対ギャップの理解をどのように向上させるか？
• RQ2 核密度を超える密度における1S0対ギャップの予測に関する主な不確実性は何か？また、多数体力および三核子相互作用はどのように寄与するか？
• RQ3 中性子星内皮におけるコherence長が格子定数と比較してどの程度か？そして、中性子超流動にどのような意味を持つのか？
• RQ4 集団モードおよび二流体流体力学的モデルは、内皮における輸送および熱的性質を記述するために果たす役割は何か？
• RQ5 なぜ3P2中性子対形成および陽子対形成は1S0対形成よりも不確実性が高いか？非一様な相互作用およびマイノリティ成分効果は予測にどのように影響するか？

主な発見

• 中性子の1S0対ギャップは、密度が約 $ n_s/10 $ で最大値のおよそ 3 MeV を示し、$ n_s \approx 0.16 $ fm$^{-3} $ で、$ n_s $ 略下で消失する。
• 3P2対ギャップは密度が $ 2n_s $ 付近で約 0.5 MeV に増加するが、非中心的相互作用および多数体効果への感受性のため、その予測は依然として極めて不確実である。
• 低密度領域では、コherence長 $ \xi_{\text{coh}} \sim 10 $ fm が内皮における格子定数よりもはるかに小さく、中性子励起が自由粒子ではなく超流動準粒子として伝播することを示唆する。
• 対ギャップが約 0.1 MeV 未満に低下すると、コherence長が格子定数を上回り、自由粒子像の破綻を示唆し、超流動輸送のより複雑な記述が求められる。
• 格子振動（デバイ＝ウォーラー効果）は、原子核からのポテンシャルを著しくぼかす可能性があり、散乱を減少させ、超流動的性質に影響を与えるが、これはまだ予備的見積もりにとどまる。
• 陽子対形成は、陽子がマイノリティ成分を占める性質および周囲の中性子からの誘導相互作用が十分に理解されていないため、特に不確実である。これにより、定量的予測が複雑になる。