[论文解读] Quark Hadron Phase Transition and Hybrid Stars

Sanjay Kumar Ghosh, S. C. Phatak+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1994

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 25被引用 30

一句话总结

本文使用强子物质的非线性Walecka模型和夸克物质的规范性色电介质模型（CCDM）研究了中子星中的夸克-强子相变。研究发现，相变仅在模型参数的极窄范围内发生，导致混合星的性质——如质量、半径和自转周期——与观测限制一致，使其在当前观测中无法与纯中子星区分。

ABSTRACT

We investigate the properties of hybrid stars consisting of quark matter in the core and hadron matter in outer region. The hadronic and quark matter equations of state are calculated by using nonlinear Walecka model and chiral colour dielectric (CCD) model respectively. We find that the phase transition from hadron to quark matter is possible in a narrow range of the parameters of nonlinear Walecka and CCD models. The transition is strong or weak first order depending on the parameters used. The EOS thus obtained, is used to study the properties of hybrid stars. We find that the calculated hybrid star properties are similar to those of pure neutron stars.

研究动机与目标

• 研究零温条件下中子星中强子-夸克相变。
• 确定从强子物质到夸克物质发生一级相变的条件。
• 评估模型参数变化对状态方程及由此产生的混合星性质的影响。
• 将混合星的预测特性与中子星质量、半径和自转周期的观测约束进行比较。
• 评估超子耦合和夸克物质参数在决定相变密度和潜热中的作用。

提出的方法

• 在平均场近似下使用非线性Walecka模型计算包含超子和轻子的强子物质状态方程。
• 应用规范性色电介质模型（CCDM）计算夸克物质状态方程，包含夸克质量、强耦合常数和袋压。
• 通过在相界面上使压力和化学势相等，施加相变边界匹配条件。
• 通过改变核压缩模量（250–350 MeV）、超子耦合常数和CCDM参数，探索相变行为。
• 数值求解Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程，计算中子星结构，包括质量、半径和转动惯量。
• 分析旋转性质，包括开普勒破裂周期，并与脉冲星跳变数据比较壳层超流体分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下中子星中会发生从强子物质到夸克物质的一级相变？
• RQ2 核物质压缩模量和超子耦合常数的变化如何影响相变密度和潜热？
• RQ3 不同夸克物质状态方程（通过CCDM参数表示）对混合星结构有何影响？
• RQ4 混合星的预测质量、半径和自转周期与观测约束相比如何？
• RQ5 基于当前观测数据，混合星在多大程度上可与纯中子星区分开来？

主要发现

• 在非线性Walecka模型和CCDM模型中，强子-夸克物质相变仅在极窄的参数范围内发生，表明可接受参数集受到物理约束。
• CCDM中夸克物质状态方程的软化导致混合星的最大质量与半径低于袋模型预测值。
• 混合星的质量和半径与观测限制一致，最大质量通常低于2 M☉，半径在10–13 km之间，具体取决于参数集。
• 混合星的开普勒自转周期范围为0.89 ms至0.93 ms，与纯中子星相当，且与观测到的脉冲星极限一致。
• 超流壳层的分数转动惯量（α）对超子耦合敏感，取值范围约为0.01至0.03，与Vela脉冲星跳变数据一致。
• 相变强烈受奇异数影响，从强子相到夸克相的奇异数分数显著增加，表明若奇异数预先存在，相变速率将显著提升。