[论文解读] Density functional approach to quark matter with confinement and color superconductivity

O. Ivanytskyi, D. Blaschke|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 76被引用 56

一句话总结

该论文提出了一种相对论性密度泛函方法来描述夸克物质，通过平均场夸尔克自能实现禁闭，并通过二夸克配对描述颜色超导性。该方法构建了中子星的混合方程态，表明在特定参数化下，混合中子星的质量可高达2.67 M⊙，与GW190814中观测到的高质量成分以及PSR J0740+6620的NICER半径测量结果一致。

ABSTRACT

We present a novel relativistic density-functional approach to modeling quark matter with a mechanism to mimic confinement. The quasiparticle treatment of quarks provides their suppression due to a large quark selfenergy already at the mean-field level. We demonstrate that our approach is equivalent to a chiral quark model with medium-dependent couplings. The dynamical restoration of the chiral symmetry is ensured by construction of the density functional. Supplemented with the vector repulsion and diquark pairing the model is applied to construct a hybrid quark-hadron EoS of cold compact-star matter. We study the connection of such a hybrid EoS with the stellar mass-radius relation and tidal deformability. The model results are compared to various observational constraints including the NICER radius measurement of PSR J0740+6620 and the tidal deformability constraint from GW170817. The model is shown to be consistent with the constraints, still allowing for further improvement by adjusting the vector repulsion and diquark pairing couplings.

研究动机与目标

• 开发一种相对论性密度泛函框架，通过介质依赖的自能项在平均场层次上实现夸克禁闭。
• 通过自洽的密度泛函形式，实现动态的味荷对称性自发性自发性恢复。
• 引入矢量排斥力和二夸克配对，以描述冷夸克物质中的颜色超导性。
• 构建适用于致密星物质的夸克-强子混合方程态（EoS），并检验其与观测约束的一致性。
• 评估该模型是否能重现PSR J0740+6620的质量与半径，以及GW170817的潮汐形变参数，并探索极高质量混合中子星的可能性。

提出的方法

• 构建一个包含标量、伪标量、矢量及二夸克配对相互作用的相对论性密度泛函拉格朗日量，以手征对称的夸尔克双线性作为相互作用参数。
• 对相互作用势在平均场值处进行二阶泰勒展开，以包含平均场之外的介子相关性，确保正确获得π介子的质量与衰变常数。
• 采用受弦翻转模型启发的禁闭平均场势，以抑制夸尔克自由度并模拟禁闭效应。
• 从势能的二阶导数中推导出标量和伪标量通道的介质依赖有效耦合（GS 和 GPS）。
• 引入矢量相互作用（GV）和二夸克配对（GD），分别用于描述排斥力和颜色超导性。
• 通过在相变密度处匹配夸克物质EoS与强子EoS，并结合吉布斯条件与絮状相考虑，构建混合方程态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能通过包含禁闭与颜色超导性的密度泛函方法，重现PSR J0740+6620的观测质量与半径？
• RQ2 二夸克配对与矢量排斥力的引入，对混合中子星最大质量的影响程度如何？
• RQ3 该模型能否产生与GW170817潮汐形变约束一致的混合方程态？
• RQ4 哪些模型参数化可支持质量在2.5–2.67 M⊙范围内的混合中子星，如GW190814所暗示？
• RQ5 在模型的热力学势与介质依赖的夸尔子质量中，味荷对称性的动态恢复如何体现？

主要发现

• 通过密度泛函的二阶展开，模型成功重现了π介子的质量与衰变常数，确保与QCD真空现象学的一致性。
• 引入二夸克配对与矢量排斥力使方程态变硬，从而支持大质量混合中子星的形成。
• 选定的模型参数化预测的混合中子星序列最大质量范围为2.5–2.67 M⊙，与GW190814中较轻组分的推断质量一致。
• 该模型的混合方程态满足NICER对PSR J0740+6620半径的约束，预测半径在11.2–12.5 km范围内。
• 模型预测的潮汐形变与GW170817的约束相容，支持混合EoS的合理性。
• 该方法等价于具有介质依赖耦合的味荷对称夸尔克模型，准粒子处理通过平均场层次上的大自能确保夸尔克被有效抑制。