[论文解读] The sound speed and core of massive compact stars: A manifestation of hadron-quark duality

Yong-Liang Ma, Mannque Rho|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2021

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 43被引用 6

一句话总结

本文提出，由于强核关联引发的涌现隐藏对称性——局部规范对称性和伪共形对称性——在密度高于 $3n_0$ 时，大质量致密星核心表现出伪共形声速 $v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$，而非显式夸克自由度。该机制根植于拓扑结构变化与薛西猫原理，通过分数电荷准粒子统一强子与夸克样行为，提出一种与天文观测一致的新式强子-夸克对偶框架。

ABSTRACT

When baryon-quark continuity is formulated in terms of a topology change without invoking "explicit " QCD degrees of freedom at a density higher than twice the nuclear matter density $n_0$ the core of massive compact stars can be described in terms of fractionally charged particles, behaving neither like pure baryons nor deconfined quarks. Hidden symmetries, both local gauge and pseudo-conformal (or broken scale), lead to the pseudo-conformal (PC) sound velocity $v_{pcs}^2/c^2\approx 1/3$ at $\gsim 3n_0$ in compact stars. We argue these symmetries are "emergent" from strong nuclear correlations and conjecture that they reflect hidden symmetries in QCD proper exposed by nuclear correlations. We establish a possible link between the quenching of $g_A$ in superallowed Gamow-Teller transitions in nuclei and the precocious onset at $n\gsim 3n_0$ of the PC sound velocity predicted at the dilaton limit fixed point. We propose that bringing in explicit quark degrees of freedom as is done in terms of the "quarkyonic" and other hybrid hadron-quark structure and our topology-change strategy represent the "hadron-quark duality" formulated in terms of the Cheshire-Cat mechanism~\cite{CC} for the smooth cross-over between hadrons and quarks. Confrontation with currently available experimental observations is discussed to support this notion.

研究动机与目标

• 在不引入显式夸克自由度的前提下，解释密度超过 $n_0$ 的大质量致密星状态方程（EOS）。
• 通过拓扑结构变化与涌现对称性，建立稠密物质中重子-夸克连续性的机制。
• 将 $\sim3n_0$ 处伪共形声速的过早出现与超允许伽马-托勒曼跃迁中 $g_A$ 的抑制联系起来。
• 提出核心中分数电荷准费米子代表强子与夸克样物质之间的平滑交叉。
• 识别潜在的观测信号，如引力波波形，以区分本模型与传统夸克核或RMF模型。

提出的方法

• 通过稠密多重子物质中的拓扑结构变化实现重子-夸克连续性，避免在 $2n_0$ 以上引入显式QCD自由度。
• 在高密度下，特别是 $3n_0$ 以上，将隐藏局部对称性（HLS）与伪共形（PC）对称性作为涌现性质纳入模型。
• 利用薛西猫机制（CC）描述强子与夸克样行为之间的平滑交叉，其中性质如猫的微笑般“消失”。
• 使用包含矢量介子（$\rho, \omega$）与标量 $f_0(500)$ 的有效场论建模状态方程（EOS），并受隐藏对称性约束。
• 应用铃木定理以确保HLS框架在高密度下的规范不变性与一致性。
• 将预测的声速分布与来自大质量中子星及引力波信号的观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不引入显式夸克自由度的情况下，稠密物质中如何实现重子-夸克连续性？
• RQ2 涌现的隐藏对称性——局部规范对称性与伪共形对称性——在高密度下对声速的形成起何作用？
• RQ3 能否将 $\sim3n_0$ 处 $v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$ 的过早出现与核性质（如 $g_A$ 抑制）联系起来？
• RQ4 薛西猫机制如何促进致密星核心中强子-夸克平滑交叉？
• RQ5 哪些观测信号（如引力波波形）可用来区分本模型与夸克核或基于RMF的模型？

主要发现

• 在大质量致密星核心，当密度 $\gtrsim 3n_0$ 时，声速达到 $v_{\text{pcs}}^2/c^2 \approx 1/3$，与伪共形对称性一致。
• 该伪共形声速源于隐藏局部对称性与伪共形对称性的相互作用，二者均由强核关联诱导。
• 该声速在 $\sim3n_0$ 处的出现与标量极限固定点一致，并与超允许伽马-托勒曼跃迁中 $g_A$ 的抑制相关。
• 该模型预测核心由分数电荷准费米子构成，而非禁闭夸克，代表强子-夸克对偶的拓扑实现。
• 真正禁闭的解除与真实夸克物质的出现被推测仅在 $\gtrsim 25n_0$ 时发生，远超核心区域。
• 中子星并合产生的引力波波形可能为区分此拓扑驱动模型与其他模型提供决定性证据。