[论文解读] Bounds on the Equation of State of Neutron Stars from High Energy Deeply Virtual Exclusive Experiments

Allen Cris John Rubesh Rajan, Gorda, Tyler+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

Geological and Geophysical Studies被引用 7

一句话总结

该论文通过从QCD能量-动量张量矩阵元推导方程态（EoS），提出了中子星物质的首个基于第一性原理的量子色动力学（QCD）描述，这些矩阵元与深虚非弹性散射实验中可测量的一般部分子分布（GPDs）相关联。胶子贡献主导了EoS，当与强子EoS拼接后，得到的混合中子星模型与GW170817潮汐形变约束及2M⊙脉冲星质量极限一致。

ABSTRACT

The recent detection of gravitational waves from merging neutron star events has opened a new window on the many unknown aspects of their internal dynamics. A key role in this context is played by the transition from baryon to quark matter described in the neutron star equation of state (EoS). In particular, the binary pulsar observation of heavy neutron stars requires appropriately stiff dense matter in order to counter gravitational collapse, at variance with the predictions of many phenomenological quark models. On the other side, the LIGO observations favor a softer EoS therefore providing a lower bound to the equation stiffness. We introduce a quantum chromodynamics (QCD) description of the neutron star's high baryon density regime where the pressure and energy density distributions are directly obtained from the matrix elements of the QCD energy momentum tensor. Recent ab initio calculations allow us to evaluate the energy-momentum tensor in a model independent way including both quark and gluon degrees of freedom. Our approach is a first effort to replace quark models and effective gluon interactions with a first principles, fully QCD-based description. Most importantly, the QCD energy momentum tensor matrix elements are connected to the Mellin moments of the generalized parton distributions which can be measured in deeply virtual exclusive scattering experiments. As a consequence, we establish a connection between observables from high energy experiments and from the analysis of gravitational wave events. Both can be used to mutually constrain the respective sets of data. In particular, the emerging QCD-based picture is consistent with the GW170817 neutron star merger event once we allow a first-order phase transition from a low-density nuclear matter EoS to the newly-constructed high-density quark-gluon one.

研究动机与目标

• 通过QCD能量-动量张量的ab initio计算，建立一种与模型无关、基于第一性原理的中子星物质方程态（EoS）。
• 将高能深虚非弹性散射实验的可观测量（通过一般部分子分布）与中子星的物理量（如压强和能量密度）联系起来。
• 通过引入一阶相变至胶子-夸克物质，解决2M⊙脉冲星所需的刚性EoS与GW170817潮汐形变测量所偏好的软性EoS之间的矛盾。
• 提出一种新框架，利用引力波与高能实验数据联合约束中子星中强子到夸克物质的相变。
• 证明在高密度区域，胶子贡献主导EoS，为致密胶子-夸克物质的刚性提供新视角。

提出的方法

• 利用QCD拉格朗日量，从核子态之间的能量-动量张量矩阵元出发，通过夸克和胶子的结构函数A、B、C和C̄进行参数化。
• 使用夸克和胶子的ab initio格点QCD计算评估矩阵元，数据来自近期模拟（如Yang等，2018；Shanahan & Detmold，2018）。
• 将矩阵元进行傅里叶变换，获得中子星核心中能量密度、压强和动量的空间分布。
• 基于夸克和胶子贡献构建最终的EoS，其中胶子分量因矩阵元值更大而占主导地位。
• 通过在0.2 GeV/fm³的相变压强下将QCD基夸克-胶子EoS与MPA1强子EoS拼接，形成混合EoS，以确保与观测到的中子星质量一致。
• 利用热力学第一定律，将压强与质量密度的关系转换为压强与能量密度的关系，对模型进行测试，以符合来自GW170817（潮汐形变）和2M⊙脉冲星J0348+0432的观测约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否直接从QCD能量-动量张量矩阵元的第一性原理QCD推导出中子星物质的方程态？
• RQ2 夸克与胶子对能量-动量张量的贡献如何影响中子星中高密度EoS的刚性？
• RQ3 从QCD矩阵元推导出的EoS在多大程度上能同时与2M⊙脉冲星质量约束和GW170817的潮汐形变限制保持一致？
• RQ4 能否利用高能非弹性散射中测量的广义部分子分布（GPDs）与中子星EoS之间的联系，实现引力波与对撞机实验数据的相互约束？
• RQ5 从强子物质到夸克物质的一阶相变在调和刚性EoS需求与GW170817约束方面起到何种作用？

主要发现

• 基于QCD的方程态主要由胶子贡献主导，夸克贡献显著被抑制。
• 在能量密度范围0.5–2 GeV/fm³内，所构建的夸克-胶子EoS与SQM3夸克物质EoS高度相似，表明与既有的夸克物质模型一致。
• 当在0.2 GeV/fm³的相变压强下与MPA1强子EoS拼接时，混合EoS支持的最大中子星质量超过1.97M⊙，满足脉冲星J0348+0432的约束。
• 该模型与GW170817的潮汐形变限制一致，尤其在考虑一阶相变时，该相变在中间密度区域使EoS变软。
• 从QCD矩阵元傅里叶变换得到的压强与能量密度分布显示出在高密度区域的刚化趋势，该趋势由胶子驱动，有助于解释大质量中子星的存在。
• 该框架为高能非弹性散射实验（测量GPDs）与中子星物理之间提供了直接联系，使引力波与对撞机实验数据能够相互约束。