[论文解读] Phenomenological neutron star equations of state: 3-window modeling of QCD matter

Toru Kojo|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 99被引用 4

一句话总结

本文提出了一种中子星方程态的三窗模型，将致密QCD物质划分为低密度强子相、中等密度过渡相和高密度渗滤夸克物质相。通过在因果性约束（$c_s^2 \leq 1$）下对强子相与渗滤夸克物质相的方程态进行插值，该模型实现了满足 $2M_\odot$ 中子星质量约束的刚性方程态，表明非微扰胶子动力学可延续至 $n_B \sim 10n_s$。该模型通过避免一阶相变，解决了超子与混合物质软化之谜。

ABSTRACT

We discuss the 3-window modeling of cold, dense QCD matter equations of state at density relevant to neutron star properties. At low baryon density, n_B < ~ 2n_s (n_s: nuclear saturation density), we utilize purely hadronic equations of state that are constrained by empirical observations at density n_B ~ n_s and neutron star radii. At high density, n_B > ~ 5n_s, we use the percolated quark matter equations of state which must be very stiff to pass the two-solar mass constraints. The intermediate domain at 2 < n_B/n_s < 5 is described as neither purely hadronic nor percolated quark matter, and the equations of state are inferred by interpolating hadronic and percolated quark matter equations of state. Possible forms of the interpolation are severely restricted by the condition on the (square of) speed of sound, 0 < c_s^2 < 1. The characteristics of the 3-window equation of state are compared with those of conventional hybrid and self-bound quark matters. Using a schematic quark model for the percolated domain, it is argued that the two-solar mass constraint requires the model parameters to be as large as their vacuum values, indicating that the gluon dynamics remains strongly non-perturbative to n_B ~ 10n_s. The hyperon puzzle is also briefly discussed in light of quark descriptions.

研究动机与目标

• 开发一种中子星的唯象学方程态，调和 $2M_\odot$ 质量约束、因果性与真实的QCD行为。
• 通过避免传统模型中常见的第一类相变，解决超子与混合物质软化之谜。
• 将中等密度区段（$2n_s \lesssim n_B \lesssim 5n_s$）表征为强子物质与渗滤夸克物质之间的过渡相。
• 确定在渗滤夸克物质区域中NJL模型参数（如 $G_V$、$H$）的必要强度，以满足 $2M_\odot$ 约束。
• 从模型参数约束推断非微扰胶子动力学在致密物质中可延续至 $n_B \sim 10n_s$。

提出的方法

• 将QCD物质划分为三个密度窗口：低密度（$n_B \lesssim 2n_s$）纯强子相，中等密度（$2n_s \lesssim n_B \lesssim 5n_s$）过渡相，高密度（$n_B \gtrsim 5n_s$）渗滤夸克物质相。
• 利用受核饱和密度与中子星半径约束的实验强子方程态，确定低密度窗口的方程态。
• 在高密度区域采用具有大耦合常数（$G_V \sim G_s$，$H \sim G_s$）的渗滤夸克物质方程态，以确保高密度下的高刚性。
• 施加因果性条件 $0 \leq c_s^2 \leq 1$，以限制中等密度窗口中插值形式的可行性。
• 在渗滤区域采用简化的NJL模型，以推断有限密度下胶子动力学的行为。
• 使用Lindblom算法反演 $M$-$R$ 关系，从观测约束中提取方程态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足因果性的前提下，强子相与渗滤夸克物质方程态之间的平滑插值能否满足 $2M_\odot$ 中子星质量约束？
• RQ2 在渗滤夸克物质区域中，为实现足够刚性，NJL模型参数（$G_V$、$H$）的必要取值为何？
• RQ3 大NJL耦合常数的持续存在是否意味着胶子动力学在 $n_B \sim 10n_s$ 之前仍保持非微扰特性？
• RQ4 该三窗模型如何在不依赖第一类相变的前提下解决超子之谜？
• RQ5 强子物质与夸克物质之间的中等密度过渡区具有何种物理意义？

主要发现

• 三窗模型在高密度区（$n_B \gtrsim 5n_s$）实现了支持 $2M_\odot$ 中子星所必需的刚性方程态，满足了 $2M_\odot$ 约束。
• 中等密度窗口（$2n_s \lesssim n_B \lesssim 5n_s$）受因果性约束，限制了强子相与渗滤夸克物质方程态之间可行的插值形式。
• 为满足 $2M_\odot$ 约束，渗滤区域中的NJL模型参数必须保持与真空值相当的大小，表明非微扰胶子动力学可延续至 $n_B \sim 10n_s$。
• 该模型通过规避第一类相变避免了超子之谜，因为此类相变通常导致过度软化。
• 在低化学势下，非禁闭夸克模型中压力过高的现象，预期会因禁闭效应而被抑制，因此该行为在物理上是合理的。
• 该模型表明，$n_B \gtrsim 5n_s$ 处向渗滤夸克物质的转变涉及保持局域色单态结构的非微扰胶子。