CFL色超导夸克物质与混合星性质的研究

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人们对致密物质结构性质的研究已经进行很多年了,从1932年发现中子以来,人们对中子星的研究领域尤为关注。人们已经了解中子星的内核可能出现超子,夸克,介子凝聚等奇异粒子。近十年内还有人提出可能出现不同的色超导夸克物质相,或者星体本身就是色超导夸克星等等。中子星的核心结构性质的研究已逐渐成为关注焦点。中子星的内核可能有多种多样的色超导相。其中广为人们接受的色味锁闭夸克相(CFL)被认为是量子色动力学(QCD)的基态,本论文利用相对论平均场理论(RMFT)来描述强子物质相,用MIT口袋模型来描述CFL夸克物质相,来讨论中子星的结构性质。本论文主要内容有以下四个部分:首先,讨论了奇异强子物质中子星,在强子相寻找到了较硬的状态方程(EOS)。2010年Demorest及其合作者发现了大质量中子星J1614-2230(质量为(1.97±0.04) M⊙,约2.0M⊙),这在天体物理界引起了极大的关注[Demo10]。由于本文在讨论中子星的结构性质时,侧重关注大质量中子星的获得,所以首要任务是选取比较硬的状态方程。这样才能保证在后面讨论混合星的时候能够尽量得到大质量的星体。对于由强子物质构成的中子星,我们利用RMFT研究结果表明,在九个核子参数组中用NLSH参数组所得到的状态方程最硬,星体的最大质量较大,可达到大质量中子星J1614-2230的数据范围。即使加入超子,降低了星体的最大质量,但降低的幅度也不是很大。其次,我们讨论了由CFL色超导夸克物质组成的奇异夸克星,研究产生了得到大质量的CFL色超导奇异夸克星的条件。由于CFL夸克物质是用热力学势描述的,其中含有奇异夸克质量、袋常数和能隙三个物理量,它们三者对CFL夸克物质的压强,能量密度都有影响,从而对状态方程和中子星的质量半径产生影响。我们在MIT袋模型下,总结了上述三个量的变化对CFL奇异夸克星结构性质产生的影响。结果表明,能隙和袋常数的变化对中子星结构性质产生的影响大一些,而奇异夸克质量的变化对中子星结构性质产生的影响极小。并且从结果看奇异夸克质量和袋常数产生的影响与能隙产生的影响效果是相反的。也正因为这个原因,要想得到J1614-2230大质量纯CFL夸克星,我们应该在能隙一定时尽量降低袋常数,在袋常数一定时尽量提高能隙,也由此可以断定只要夸克之间有强相互作用(比如色超导)而非自由,那么大质量的星体是可以由CFL夸克物质组成而成为CFL夸克星的。这个结论是与文献[Demo10]是一致的。再次,讨论了含有强子+CFL色超导夸克混合相的混合星的结构性质,提出了得到含有强子+CFL夸克混合相的大质量混合星的条件。中子星中,从外壳到内核,随深度的增加,从核物质到CFL色超导夸克物质的相变是可以发生的。当忽略表面张力和库仑相互作用的时候,我们可以在强子物质和CFL色超导夸克物质之间构建混合相,探讨由它们组成的混合星的结构特性。2010年Demorest及其合作者发现了迄今为止质量最大的中子星[Demo10]。这一发现为描述致密物质的状态方程提供了新的限制。通过对其整体性质的拟合,重点讨论了色超导能隙对含有强子+CFL夸克混合相的混合星的影响,我们发现了很有意义的结果。随着能隙的增加,在质量半径关系图中出现了三个区域:(1)强子相+CFL色超导夸克相的混合区域(△=0~100MeV)。表示星体可以有一个强子+CFL夸克的混合相核,并且证明了在此区域中的星体是几乎接近于强子星的混合星。(2)纯CFL色超导夸克相区域(△=150MeV~200MeV)。此时中子星成为纯CFL夸克星。(3)中间过渡区域(△=100MeV~150MeV)。这时混合星表现出一种从强子星到CFL夸克星的过渡行为。随着能隙的增加,最大质量星体的质量和半径经历了从强子星区域,经过过渡区域,进入了CFL夸克星区域。同时我们发现了在我们的参数下,在低能隙高袋常数处找到了J1614-2230大质量混合星。在高能隙低袋常数处找到了J1614-2230大质量纯CFL夸克星。最后,讨论了含有CFL色超导夸克核心的第三类致密星,提出最有可能的第三类致密星应该是带有CFL夸克核心的混合星。早在40多年前,人们发现在中子星之上的一个不稳定的区域之后紧跟着一系列稳定的致密星。这一系列致密星的稳定分支就是所谓的第三类致密星(TF)。Glendenning等人发现第三类致密星是从强子到夸克物质的相变机制所致。我们利用平均场理论采用NLSH参数组求解强子相状态方程,利用MIT口袋模型求解CFL色超导夸克物质状态方程,依照Glendenning方法构建强子物质+CFL色超导夸克物质的混合相,我们计算了含有强子+CFL夸克混合相的混合星的状态方程,从状态方程曲线上看,声速(dp/dε)在强子相和CFL夸克物质相的相变的开始点是不连续的,这首先表明了第三类致密星可能出现。接下来,我们找到了出现第三类致密星的CFL能隙范围,是在100MeV~150MeV之间。需要强调的是,我们利用NLSH参数组对具有CFL夸克核心的混合星进行计算,结果第三类致密星出现在很宽的能隙范围内(△=100MeV~150MeV),早期的研究工作表明,在200多个状态方程中,只有TM2参数组给出的状态方程通过由强子到正常夸克物质的相变可以得到第三类致密星[Sche00],而且袋常数的变化范围很窄(176MeV≤B1/4≤182MeV)。我们还利用NL3参数组对具有CFL夸克核心的混合星进行计算得到了相类似的结果,即第三类致密星出现在很宽的能隙范围内(△=97MeV~150MeV)。因此,与早期的研究结果对比,我们认为,最有可能的第三类致密星是具有纯CFL夸克核心的混合星。另外,在具有CFL夸克物质核心的第三类致密星出现的区域,都有可能出现双子星,若通过精确地观测发现相结构不同的双子星,则可能表明具有CFL夸克核心的混合星的存在,也表明了从强子相到CFL夸克相相变的存在。
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