[论文解读] Neutron stars with Hyperons in Dirac-Brueckner-Hartree-Fock approach

Tetsuya Katayama, Koichi Saito|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 6

一句话总结

本研究采用包含超子自由度和负能强子态的狄拉克-布雷克纳-哈特ree-福克（DBHF）方法，计算中子星物质的状态方程（EoS）。通过使用博恩介子-核子和超子-介子势求解耦合的贝特-萨尔皮特方程，预测中子星最大质量为2.02 M☉，与近期对J1614-2230和J0348+0432的观测结果一致。

ABSTRACT

Using the Dirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF) approach including the hyperon degrees of freedom, we investigate the properties of neutron-star matter. To handle the hyperons in matter, we first examine the importance of the space part of baryon self-energies at high densities, and secondly study the effect of negative-energy states of baryons, which can provide an unambiguous relationship between the in-medium reaction matrices for baryon-baryon scattering and the baryon self-energies. We solve the coupled, Bethe-Salpeter equations in the nuclear-matter rest frame by using the Bonn potentials. We assume that eight kinds of nonstrange and strange mesons ($σ,\,δ,\,ω,\,ρ,\,η,\,π,\,K,\,K^{\ast}$) take part in the interactions between two baryons. Then, we calculate the baryon self-energies, the energy density and pressure of matter. The present calculation provides a hard equation of state in neutron-star matter at high densities, which is generated by the effect of Pauli exclusion, the short-range correlations between two baryons, etc. We finally predict the maximum neutron-star mass of $2.02\,M_{\odot}$, which is consistent with both the recently observed masses, $1.97\pm0.04M_{\odot}$ (J1614-2230) and $2.01\pm0.04M_{\odot}$ (J0348+0432).

研究动机与目标

• 利用狄拉克-布雷克纳-哈特ree-福克（DBHF）框架，研究包含超子的中子星物质状态方程（EoS）。
• 通过包含强子自能的时空部分和负能强子态，解决传统DBHF方法的局限性。
• 研究超子-介子相互作用，特别是K和K*介子的引入，对超子产生及状态方程的影响。
• 预测中子星最大质量，并与近期观测约束进行比较。
• 评估真实超子-介子耦合常数和形式因子在状态方程及最大质量预测中的作用。

提出的方法

• 在核物质静止参考系中，使用标准旋量和博恩势模型求解贝特-萨尔皮特方程，描述强子-强子相互作用。
• 在相互作用拉格朗日量中包含八种介子（σ, δ, ω, ρ, η, π, K, K*），以描述强子-强子散射和自能。
• 在自能计算中同时处理正能和负能强子态，以明确建立介质中T矩阵与自能之间的联系。
• 使用完整的DBHF形式体系计算强子自能、能量密度、压强和状态方程（EoS），且不引入可调参数。
• 利用SU(6)对称性确定超子-介子耦合常数，并对形式因子采用统一的截断质量。
• 在三种不同情形下进行计算：五种强子与六种介子、八种强子与六种介子、五种强子与八种介子（包含K和K*）。

实验结果

研究问题

• RQ1 包含负能强子态和自能时空部分如何影响致密中子星物质中的状态方程？
• RQ2 引入K和K*介子对Σ⁻等超子的出现与行为有何影响？
• RQ3 在包含超子的完整DBHF方法中，其预测的中子星质量与J1614-2230和J0348+0432等观测约束相比如何？
• RQ4 与SU(6)对称性假设相比，使用真实超子-介子耦合常数和形式因子在多大程度上改变预测的最大中子星质量？
• RQ5 当超子和短程相关作用被一致处理时，状态方程在高密度区如何演化？

主要发现

• K和K*介子的引入导致Σ⁻超子在nB ≈ 0.38 fm⁻³处早期出现，但在更高密度下迅速减少。
• Λ和Ξ⁻超子稳定出现，并在高密度下主导超子组分，与超子物质的出现一致。
• 通过完整处理自能和负能态，DBHF计算在高密度下产生刚性状态方程，归因于泡利阻滞和短程相关作用。
• 该模型预测中子星最大质量为2.02 M☉，与观测值1.97±0.04 M☉（J1614-2230）和2.01±0.04 M☉（J0348+0432）高度一致。
• 结果表明，正确处理超子和介质效应的DBHF方法为致密中子星物质提供了一个一致且具有预测能力的框架。
• 未来采用真实超子-介子耦合常数和形式因子的改进可能进一步优化状态方程和最大质量预测。