[论文解读] The symmetry energy in nucleon and quark matter

Lie-Wen Chen|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用 13

一句话总结

本文综述了核物质与夸克物质中对称能的现状，重点关注其密度依赖性。利用受限同位旋密度依赖质量（CIDDM）模型，研究发现，为解释质量为两倍太阳质量的脉冲星作为夸克星，u-d夸克物质的对称能必须至少为自由夸克气体或标准NJL模型的两倍，表明在非对称物质中u夸克与d夸克之间存在强烈的同位旋依赖相互作用。

ABSTRACT

The symmetry energy characterizes the isospin dependent part of the equation of state of isospin asymmetric strong interaction matter and it plays a critical role in many issues of nuclear physics and astrophysics. In this talk, we briefly review the current status on the determination of the symmetry energy in nucleon (nuclear) and quark matter. For nuclear matter, while the subsaturation density behaviors of the symmetry energy are relatively well-determined and significant progress has been made on the symmetry energy around saturation density, the determination of the suprasaturation density behaviors of the symmetry energy remains a big challenge. For quark matter, which is expected to appear in dense matter at high baryon densities, we briefly review the recent work about the effects of quark matter symmetry energy on the properties of quark stars and the implication of possible existence of heavy quark stars on quark matter symmetry energy. The results indicate that the $u$ and $d$ quarks could feel very different interactions in isospin asymmetric quark matter, which may have important implications on the isospin effects of partonic dynamics in relativistic heavy-ion collisions.

研究动机与目标

• 评估核物质与夸克物质中对称能密度依赖性的当前约束。
• 研究近期大质量脉冲星观测（如PSR J1614-2230、J0348+0432）对夸克物质对称能的影响。
• 探讨质量接近2倍太阳质量的夸克星是否能被现实的夸克物质模型所解释。
• 考察同位旋不对称性在夸克物质中的作用及其对相对论重离子碰撞中部分子动力学的影响。

提出的方法

• 使用受限同位旋密度依赖质量（CIDDM）模型描述两味u-d夸克物质的状态方程。
• 应用对称能展开式 $ E_{\text{sym}}(n_B, n_s) = \frac{1}{2!} \frac{\partial^2 E}{\partial \delta_q^2} \big|_{\delta_q=0} $ 量化同位旋不对称性效应。
• 将CIDDM模型预测的夸克物质对称能与自由夸克气体及传统NJL模型的预测进行比较。
• 施加来自大质量脉冲星（PSR J1614-2230与J0348+0432）的观测约束以确定模型参数。
• 利用实验与理论约束评估核物质中密度斜率参数 $ L(\rho_0) $ 与对称能大小 $ E_{\text{sym}}(\rho_0) $。
• 分析不同参数集（如DI-70、DI-85、DI-0）对夸克星质量与对称能预测的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为了解释作为夸克星的2M☉脉冲星，两味u-d夸克物质对称能需要达到多大值？
• RQ2 夸克物质中的对称能与自由夸克气体或标准NJL模型有何不同？
• RQ3 夸克物质对称能显著增强对u夸克与d夸克之间同位旋依赖相互作用意味着什么？
• RQ4 实验、天体物理学与理论在亚饱和与超饱和密度下对核物质对称能的约束如何比较？
• RQ5 密度斜率参数 $ L $ 在决定饱和密度附近对称能行为方面起什么作用？

主要发现

• 为了解释观测到的2M☉脉冲星作为夸克星，两味u-d夸克物质对称能必须至少为自由夸克气体或标准NJL模型的两倍。
• 使用参数集DI-70（z=1.8）的CIDDM模型预测，夸克物质对称能约为自由夸克气体的两倍。
• 2SC相中的对称能约为正常夸克物质的三倍，与DI-70的CIDDM预测相当。
• 亚饱和密度下核物质对称能的约束一致且约束良好，$ E_{\text{sym}}(\rho_0) = 32.5 \pm 2.5 $ MeV，$ L = 55 \pm 25 $ MeV。
• 由于重离子碰撞数据与输运模型之间的矛盾，核物质对称能在超饱和密度下的行为仍不确定。
• 夸克物质对称能的显著增强表明，在同位旋不对称夸克物质中，u夸克与d夸克经历显著不同的相互作用，这对相对论重离子碰撞中的部分子动力学具有重要意义。