[论文解读] Dense QCD and phenomenology of compact stars

Armen Sedrakian|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文研究了质量≥2 M☉的致密夸克物质在大质量中子星中的状态方程（EoS），重点关注颜色超导相及其对恒星结构与演化的影响。结果表明，具有2SC和CFL相的刚性夸克物质EoS可支持质量达2 M☉的中子星，且与观测到的质量和半径约束一致；同时识别出2SC核心中存在寿命极长的彩色磁通管，其通过Aharonov-Bohm拖曳力在约10¹⁰年内维持磁场不消散。

ABSTRACT

I discuss three topics in physics of massive (two solar-mass and larger) neutron stars containing deconfined quark matter: (i) the equation of state of deconfined dense quark matter and its color superconducting phases, (ii) the thermal evolution of stars with quark cores, (iii) color-magnetic flux tubes in type-II superconducting quark matter and their dynamics driven by Aharonov-Bohm interactions with unpaired fermions.

研究动机与目标

• 确定致密夸克物质的刚性状态方程（EoS）是否可支持质量≥2 M☉的中子星，且与1.97 M☉脉冲星测量结果一致。
• 研究具有夸克核心的高质量中子星的热演化，重点关注冷却行为与中微子发射率。
• 分析类型-II颜色超导夸克物质中彩色磁通管的动力学及其在磁场保持中的作用。
• 评估Aharonov-Bohm散射对2SC核心中通管拖曳力与排出 timescale 的影响。
• 识别夸克核心（2SC/CFL）与高质质量恒星构型及观测约束共存的条件。

提出的方法

• 采用相对论平均场模型描述低密度强子物质，利用扩展的Nambu-Jona-Lasinio（NJL）拉格朗日量，包含t’ Hooft相互作用与矢量耦合（GV），描述高密度夸克物质。
• 计算不同相变密度（ρtr）与矢量耦合强度（GV/GS）下的夸克物质EoS，涵盖2SC与CFL相。
• 应用Aharonov-Bohm散射形式化方法，计算费米子在彩色磁通管上的散射速率，推导弛豫时间 τ⁻¹ ∝ nᵥ sin²(πβ̃)/pF。
• 建立2SC核心中通管的受力平衡模型，包括向外的边界力、AB散射引起的拖曳力以及Magnet-Lorentz力。
• 估算通过力平衡实现通管排出的timescale，结果约为10¹⁰年。
• 使用参考文献[12]中的1.91 M☉模型拟合表面温度演化，约束相变温度T*。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有刚性状态方程的致密夸克物质能否在与1.97 M☉脉冲星质量测量一致的前提下，支持质量≥2 M☉的中子星？
• RQ2 颜色超导相（2SC与CFL）如何影响高质量致密星的热演化与冷却行为？
• RQ3 在真实天体物理条件下，2SC相夸克物质中的彩色磁通管具有多长的寿命与稳定性？
• RQ4 轻费米子与通管之间的Aharonov-Bohm相互作用如何影响拖曳力与夸克核心中磁场通量的排出timescale？
• RQ5 在何种相变密度与矢量耦合条件下，可形成具有稳定夸克核心与高质质量的混合星？

主要发现

• 具有2SC与CFL相的刚性夸克物质EoS可支持质量达2 M☉的中子星，且与1.97 M☉脉冲星质量测量结果一致。
• 随着矢量耦合强度GV的增加，混合星的最大质量上升，在ρtr = 3.4ρ₀时，GV/GS = 0.6可达到2.0 M☉。
• 2SC相中的彩色磁通管由于Aharonov-Bohm散射的拖曳作用，在演化timescale内保持稳定，其排出timescale估计为~10¹⁰年。
• 2SC相中的电子与蓝色上夸克经历AB散射，对拖曳力有贡献，而蓝色下夸克不受影响（β̃ = 0）。
• 由于通管排出timescale极长，2SC核心中的磁场可能在宇宙学timescale内被长期捕获。
• 热演化模型表明，相变温度T* ≈ 0.1 MeV可重现卡西尼-3号中子星的观测冷却行为，包括快速温度下降。