Quark and Hybrid Stars with the Quark-Meson Model — Including Preliminaries to Compact Stars

Abstract

Ifølge kvantekromodynamikk bryter innesperrede kvarker fri fra hadroner til en tilstand av uavgrenset kvarkmaterie ved høy tetthet. Nylige observasjoner av de massive 2 M_☉-pulsarene PSR J1614-2230, PSR J0348+0432 og PSR J0740+6620 antyder at tettheten i nøytronstjerner kan bli høy nok til at små kjerner med uavgrenset kvarkmaterie dannes i det som da kalles en hybridstjerne. Hvis hypotesen om at sær-kvarkmaterie er stabilt stemmer, kan til og med rene sær-kvarkstjerner bestående kun av uavgrenset sær-kvarkmaterie eksistere. Etter en gjennomgang av MIT-pose-modellen, modellerer vi kvarkstjerner med den effektive kvark-meson-modellen for kvantekromodynamikk, der vi beregner den frie energien med én fermionløkke i middelfelt-tilnærmingen for bosoner, noe som er konsistent i grensen der N_c er stor. Vi finner maksimumsmasser M ≤ 2.0 M_☉ og M ≤ 1.8 M_☉ med to og tre kvarktyper, henholdsvis, men klarer ikke modellere sær-kvarkstjerner på en konsistent måte. Spesielt sliter vi med å tilpasse målte masser av σ-mesonet til den frie energien på trenivå, men løser opp i dette med nylig arbeid av Adhikari og andre som konsistent tilpasser parameterene med én løkke i grensen der N_c er stor. Til slutt setter vi sammen hybridstjerner ved å koble kvark-meson-modellen sammen med den hadronske tilstandsligningen fra Akmal, Pandharipande og Ravenhall. Dette genererer korte grener av stabile hybridstjerner med rimelige maksimumsmasser 1.9 M_☉ ≤ M ≤ 2.1 M_☉ og små kjerner med to og tre kvarktyper opptil 0.12 M_☉ og 0.02 M_☉, henholdsvis. En diskontinuerlig faseovergang destabiliserer stjerner med tyngre kvarkkjerner. Resultatene samsvarer godt med annet arbeid som bruker variasjoner av kvark-meson-modellen og Nambu-Jona-Lasinio-modellen.

According to quantum chromodynamics, hadron-confined quarks break free into a state of deconfined quark matter at high density. Recent observations of the massive 2 M_☉-pulsars PSR J1614-2230, PSR J0348+0432 and PSR J0740+6620 suggest that the density in neutron stars could reach sufficiently high levels for formation of small cores of deconfined quark matter in what is then referred to as hybrid stars. If the strange matter hypothesis is true and strange quark matter is stable, even pure strange quark stars consisting only of deconfined strange quark matter could exist. After reviewing the MIT bag model, we model quark stars with the effective quark-meson model of quantum chromodynamics, calculating its grand potential to one fermion loop in the mean-field approximation for bosons, which is consistent in the large-N_c limit. We find maximum masses M ≤ 2.0 M_☉ and M ≤ 1.8 M_☉ with two and three flavors, respectively, but fail to model strange quark stars consistently. In particular, we struggle to fit measured masses of the σ meson to the grand potential at tree-level, but resolve this using recent work of Adhikari and others who consistently fit parameters in the one-loop large-N_c limit. Finally, we assemble hybrid stars by joining the quark-meson model with the hadronic Akmal-Pandharipande-Ravenhall equation of state. This generates short branches of stable hybrid stars with plausible maximum masses 1.9 M_☉ ≤ M ≤ 2.1 M_☉ and small two-flavor and three-flavor quark cores up to 0.12 M_☉ and 0.02 M_☉, respectively. A discontinuous phase transition destabilizes stars with heavier quark cores. The results agree with other work that uses variations of the quark-meson model and the Nambu-Jona-Lasinio model.