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夸克星及夸克物质研究进展

日期:2014-11-05 阅读:1162

信息来源:陈列文研究组

2014年1月10日,美国天文学会《天体物理杂志》【The Astrophysical Journal 780, 135 (2014)】报道了上海交通大学物理与天文系陈列文研究组的研究成果。陈列文和其指导的博士生初鹏程通过在传统的禁闭的密度相关质量夸克物质模型中引入同位旋相关的质量项,发现最近观测到的两倍太阳质量的脉冲星可以解释为夸克星,从而提出脉冲星可能为研究高密夸克物质的同位旋性质提供了一个天然场所。

根据强相互作用的基本理论-量子色动力学(QCD),人们预言自然界存在一种新的物质形态,即退禁闭的夸克胶子等离子体(又称夸克物质)。夸克物质可能大量存在于宇宙大爆炸后最初几个微秒的早期宇宙中。在实验室里,人们相信夸克物质已在RHIC/BNL以及LHC/CERN上的重离子碰撞中产生。在现今的宇宙中,夸克物质也可能存在于致密星体(比如中子星或夸克星)的内部。理论上,高温低密夸克物质的性质可以通过格点QCD来计算,然而对于致密星体内部的低温高密夸克物质的性质,目前还没有第一性原理的计算方法,只能依赖于一些唯像的有效模型。

天文学上,人们已经观察到大量的脉冲星。一颗典型脉冲星的质量大约为太阳质量的1.4倍,但它的半径却只有10公里左右,于是脉冲星内部的密度可达到甚至超过6倍正常核物质密度(正常核物质密度和重原子核中心密度相当,大约是水的密度的一百万亿倍)。由于目前对于极端高密物质的相结构和性质很不清楚,人们仍然不清楚脉冲星的确切构成。脉冲星可能是由核物质构成的中子星,由核物质与夸克物质共存构成的混杂星,或是完全由夸克物质构成的夸克星。

图: 禁闭的同位旋密度相关质量夸克物质模型预言的使用不同同位旋相关的夸克相互作用所得到的夸克星的质量-半径关系。

最近,人们发现了两颗两倍太阳质量的大质量脉冲星,即PSR J1614−2230和PSR J0348+0432。这些大质量脉冲星的发现对核物质模型或夸克物质模型提出了挑战。比如,基于传统的禁闭的密度相关质量夸克物质模型,夸克星的最大质量大约只有1.8倍太阳质量,这就排除了PSR J1614−2230和PSR J0348+0432是夸克星的可能性。然而,我系陈列文研究组的研究工作指出传统的禁闭的密度相关质量夸克物质模型忽略了夸克物质中夸克间相互作用的同位旋相关性;如果夸克物质中夸克间存在较强的同位旋相关的相互作用,脉冲星PSR J1614−2230和PSR J0348+0432仍然可以解释为夸克星(见右图)。

该项研究工作指出了夸克物质中同位旋自由度的重要性,提出了脉冲星为研究高密夸克物质的同位旋性质提供了一个天体物理实验室。研究结果对于探索极端相对论重离子碰撞中夸克动力学的同位旋效应以及QCD相图的同位旋相关性有重要启发意义。

该研究得到国家自然科学基金(10975097, 11135011, 11275125)、上海市科委(11QH1401100,11DZ2260700)和上海市教委(11SG12)科研项目的支持。

 

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