[论文解读] Constraining free parameters of a color superconducting non-local Nambu-Jona-Lasinio model using Bayesian analysis of neutron stars mass and radius measurements

Mahboubeh Shahrbaf, S. Antić+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 4被引用 4

一句话总结

本研究通过贝叶斯分析NICER和多信使中子星质量-半径数据，约束非局域Nambu-Jona-Lasinio模型中色超导夸克物质的自由参数（η_V, η_D）。结果表明，参数优化后的混合方程态能够重现PSR J0740+6620的半径，并在质量-半径图中揭示一种普遍存在的特殊点序列，其在高密度下呈现约0.5的高速声速平台。

ABSTRACT

We provide a systematic study of hybrid neutron star equations of state (EoS) consisting of a relativistic density functional for the hadronic phase and a covariant nonlocal Nambu--Jona-Lasinio (nlNJL) model to describe the color superconducting quark matter phase. Changing the values of the two free parameters, the dimensionless vector and diquark coupling strengths $η_V$ and $η_D$ results in a set of EoS with varying stiffness and deconfinement onset. The favorable parameters are obtained from a systematic Bayesian analysis for which the multi-messenger constraint on the neutron star radius at $1.4~$M$_\odot$ and the combined mass-radius constraint for PSR J0740+6620 from NICER experiment are used as the constraints. Additionally, the transition from hadronic matter to deconfined quark matter is constrained to occur above nuclear saturation density. Hybrid stars modeled with these favorable parameters are compatible with the NICER results for the radius of the highest known mass neutron star, PSR J0740+6620. Three new observations interesting for neutron star phenomenology are reported: 1) We show that the constant sound speed (CSS) EoS provides an excellent fit to that of the nlNJL model which implies the squared speed of sound at high densities to be about $0.5$ for the optimized parameters; 2) we give a simple functional form for the mapping between the parameter spaces of these two models valid for the whole range of relevant chemical potentials and 3) we observe that the special point property of hybrid EoS based on CSS quark matter generalizes to a set of lines consisting of special points when two EoS parameters are varied instead of one. A lower limit for the maximum mass of hybrid stars as a function of the vector coupling strength is obtained.

研究动机与目标

• 通过中子星观测约束非局域Nambu-Jona-Lasinio模型中色超导夸克物质的自由参数η_V（矢量耦合）和η_D（二夸克耦合）。
• 检验基于该模型的混合中子星方程态是否能同时满足PSR J0740+6620的高质（>2 M⊙）和大半径（>12 km）约束。
• 探讨所得方程态的唯象学意义，特别是高速声速和质量-半径关系结构。
• 探索当多个参数变化时，混合星方程态中特殊点行为的普遍性。

提出的方法

• 通过将强子相的相对论密度泛函与夸克相的协变非局域Nambu-Jona-Lasinio（nlNJL）模型相结合，构建混合方程态。
• 通过改变无量纲耦合强度η_V和η_D，生成一系列具有不同刚度和脱禁闭起始密度的方程态。
• 使用贝叶斯推断，结合观测约束：1.4 M⊙中子星的半径，以及NICER实验对PSR J0740+6620的联合质量-半径测量。
• 施加物理约束：强子-夸克物质相变必须发生在核饱和密度以上。
• 使用麦克斯韦构造法确定混合星中的相共存，并计算质量-半径关系。
• 将nlNJL方程态映射到恒定声速（CSS）模型，以识别函数等价性，并分析质量-半径图中的特殊点结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非局域NJL模型中，哪些矢量和二夸克耦合强度（η_V, η_D）值能产生与NICER对PSR J0740+6620观测一致的混合中子星方程态？
• RQ2 在优化模型中，高密度下夸克物质相的声速平方如何变化？其是否与恒定声速（CSS）近似一致？
• RQ3 当η_V和η_D同时变化时，质量-半径图中特殊点的几何结构如何？是否存在一个普遍收敛点？
• RQ4 特殊点现象是否可从单参数推广到双参数方程态族？若可，其对应直线的函数形式为何？
• RQ5 所观测到的特殊点结构对基础强子方程态的选择是否具有鲁棒性？

主要发现

• η_V和η_D的优化参数生成的混合中子星方程态与NICER对PSR J0740+6620半径的测量一致，支持高质中子星中存在夸克物质核心的存在。
• 非局域NJL模型在高密度下表现出约0.5的声速平方，与恒定声速（CSS）模型高度一致，表明夸克物质相具有高刚度。
• 当η_V和η_D同时变化时，质量-半径图中出现一连串特殊点，所有特殊点线汇聚于一个普遍点（M_X, R_X）=（1.8663 M⊙, 11.112 km）。
• 特殊点线构成一族直线，其斜率由比值ξ = δη_V / δη_D的线性函数决定，最陡的直线对应固定η_V（ξ = 0），近似于最大质量序列。
• 特殊点结构对强子方程态的选择具有鲁棒性，经使用更软的DD2p00模型重复分析后得到验证。
• 基于μ的幂级数（Alford拟合）的唯象学EoS表现出与CSS模型相似的质量-半径行为，表明所观测特征并非特定函数形式的产物。