[论文解读] What's in the core of massive neutron stars?

Yong-Liang Ma, Mannque Rho|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 22被引用 4

一句话总结

该论文提出，大质量中子星核心中存在分数强子荷的束缚准粒子，其源于密度超过 $3n_0$ 时的拓扑相变，由标度对称性与隐藏规范对称性的自发性自发性破缺引起。这些准粒子表现出伪共形声速 $v_{pcs}^2/c^2 \approx 1/3$，与天体物理学观测和核物理数据一致，且无需真正实现夸克禁闭。

ABSTRACT

When hadron-quark continuity is formulated in terms of a topology change at a density higher than twice the nuclear matter densiy $n_0$ the core of massive compact stars can be described in terms of quasiparticles of fractional baryon charges, behaving neither like pure baryons nor deconfined quarks. Hidden symmetries, both local gauge and pseudo-conformal (or broken scale), emerge and give rise to the long-standing quenched $g_A$ in nuclear Gamow-Teller transitions at $\sim n_0$ and to the pseudo-conformal sound velocity $v_{pcs}^2/c^2\approx 1/3$ at $\gsim 3n_0$. These properties are confronted with the recent observations in superallowed Gamow-Teller transitions and in astrophysical observations.

研究动机与目标

• 使用标准手征有效场论之外的有效场论，解释密度超过 $n_0$ 的大质量中子星的状态方程（EOS）
• 通过将高密度下的涌现对称性与之关联，解决伽马-托勒曼跃迁中长期存在的“抑制的 $g_A$”问题
• 调和天体物理学观测与核物理数据，特别是致密物质中接近共形的声速
• 提出通过拓扑变化与涌现对称性实现强子-夸克连续性的机制，避免在恒星核心密度下发生完全的夸克禁闭

提出的方法

• 构建一个标度对称的隐藏局部规范对称（χmHLS）有效拉格朗日量，包含π介子、矢量介子（$\rho,\omega$）以及标度对称性的Nambu-Goldstone玻色子——标度介子（$f_0(500)$）
• 引入“半skyrmion”相作为拓扑态，其中强子分数化为具有非整数强子荷的准粒子
• 应用矢量展现（VM）机制，即在高密度下矢量介子质量趋于零，标志向拓扑相的转变
• 利用具有 $N_f=3$ 的QCD的红外固定点（IRFP），为状态方程中伪共形行为的涌现提供理论依据
• 从隐藏局部规范对称与破缺标度对称的相互作用中推导出伪共形声速 $v_{pcs}^2/c^2 \approx 1/3$
• 通过SV插值法与因果性约束比较预测结果，验证该模型与天体物理学数据的一致性

实验结果

研究问题

• RQ1 在密度超过 $3n_0$ 时，大质量中子星核心的本质是什么？它与纯夸克物质有何不同？
• RQ2 在核物理与致密物质物理的统一框架下，如何解释超允许伽马-托勒曼跃迁中观测到的抑制的 $g_A$？
• RQ3 涌现对称性——特别是隐藏局部规范对称与伪共形标度对称——是否能够解释中子星内部观测到的接近共形的声速？
• RQ4 在高密度下，拓扑结构与分数强子荷在强子-夸克连续性情景中扮演何种角色？
• RQ5 所提出的模型如何在不需完全夸克禁闭的前提下，与大质量中子星的天体物理学观测相协调？

主要发现

• 大质量中子星核心中存在分数强子荷的准粒子，源于密度超过 $3n_0$ 时的拓扑相变，而非纯的禁闭夸克
• 在 $\sim 3n_0$ 处出现伪共形声速 $v_{pcs}^2/c^2 \approx 1/3$，与天体物理学观测和无模型依赖分析一致
• 核物理中伽马-托勒曼跃迁的抑制 $g_A$ 可由控制高密度下状态方程的相同涌现标度对称性解释
• 该模型预测在 $\sim 3n_0$ 处多相指数 $\gamma < 1.75$，在 $n \gtrsim 6n_0$ 时趋近于1，符合观测约束
• 预测的 $P/\epsilon$ 比值位于共形带之外，但与其平行，表明存在伪共形行为，而非完全的共形不变性
• 真正的夸克禁闭被推迟至 $n \gtrsim 25n_0$，此时矢量展现或标度介子固定点可能触发从Higgs相到拓扑相的转变