[論文レビュー] The hyperon puzzle: new hints from Quantum Monte Carlo calculations

Diego Lonardoni, Alessandro Lovato+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、補助場拡散モンテカルロ計算を用いて、中性子星の状態方程式における三体ハイペロン-核子相互作用の役割を調査した。これらの相互作用が状態方程式を著しく軟らかくし、中性子星の最大質量を低下させることを発見した。異なる三体力モデルでは顕著に異なる予測をもたらし、一部のモデルは最近の非常に質量の大きな中性子星の観測と整合する。これにより、ハイペロン-核子力に対するより厳密な制約が求められることが示された。

ABSTRACT

The onset of hyperons in the core of neutron stars and the consequent softening of the equation of state have been questioned for a long time. Controversial theoretical predictions and recent astrophysical observations of neutron stars are the grounds for the so-called hyperon puzzle. We calculate the equation of state and the neutron star mass-radius relation of an infinite systems of neutrons and $\Lambda$ particles by using the auxiliary field diffusion Monte Carlo algorithm. We find that the three-body hyperon-nucleon interaction plays a fundamental role in the softening of the equation of state and for the consequent reduction of the predicted maximum mass. We have considered two different models of three-body force that successfully describe the binding energy of medium mass hypernuclei. Our results indicate that they give dramatically different results on the maximum mass of neutron stars, not necessarily incompatible with the recent observation of very massive neutron stars. We conclude that stronger constraints on the hyperon-neutron force are necessary in order to properly assess the role of hyperons in neutron stars.

研究の動機と目的

• 三体ハイペロン-核子相互作用が中性子星の状態方程式に与える影響を検討することで、ハイペロンパズルを解消すること。
• ハイペロン-核子力の理論的モデルが、最近の質量の大きな中性子星の天体物理学的観測と整合するかを評価すること。
• 異なる三体力モデルが中性子星の最大質量をどのように決定するかを評価すること。

提案手法

• 無限大のニュートロンとΛ粒子系の状態方程式を計算するために、補助場拡散モンテカルロ（AFDMC）アルゴリズムを採用した。
• 中程度質量のハイペロン核の結合エネルギーをうまく記述できる2つの異なる三体ハイペロン-核子力モデルを用いた。
• AFDMCシミュレーションから得られた状態方程式に基づき、中性子星の質量-半径関係を計算した。
• 異なる三体力モデルの予測を比較し、それらが中性子星の最大質量に与える影響を評価した。
• 選択した三体力モデルがハイペロン核の結合エネルギーに関する実験データと整合しているかを検証した。
• 予測された最大質量が、最近の質量の大きな中性子星の天体物理学的観測と整合するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三体ハイペロン-核子相互作用は、中性子星の状態方程式の軟化にどのように寄与するか？
• RQ2 異なる三体力モデルは、中性子星の予測最大質量にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 これらのモデルから予測される最大質量は、最近の非常に質量の大きな中性子星の観測と整合可能か？
• RQ4 二体相互作用と比較して、三体力が状態方程式の軟化にどれほど支配的か？
• RQ5 ハイペロンパズルを解消するためには、ハイペロン-中性子力にどのような制約が必要か？

主な発見

• 三体ハイペロン-核子相互作用は、中性子星物質の状態方程式の軟化に根本的な役割を果たす。
• 三体力の取り入れにより、中性子星の予測最大質量が著しく低下する。
• ハイペロン核の結合エネルギーデータと整合する2つの異なる三体力モデルでも、中性子星の最大質量に対する予測は顕著に異なる。
• これらのモデルから得られる一部の最大質量予測は、最近の非常に質量の大きな中性子星の観測と矛盾しない。
• 結果は、ハイペロンパズルを明確に解消するためには、ハイペロン-中性子力に対するより強い実験的および理論的制約が必要であることを強調している。