夸克物质与夸克星的唯象模型研究

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在这篇论文里,我们利用几种夸克物质唯象模型研究了奇异夸克物质,夸克物质的对称能以及夸克星。本论文包括如下几个部分,分别是基于密度相关有效质量夸克模型有磁场和无磁场情况下的夸克物质对称能和夸克星的研究,基于理查德森禁闭势能的禁闭夸克模型的研究,以及考虑了矢量相互作用以及磁化胶子的强磁场下SU(3)NJL模型的研究。  有限密度以及有限化学势的奇异夸克物质的性质是无法用微扰QCD以及格点QCD进行研究的,于是人们提出唯象模型来处理相应的问题。首先我们把密度相关有效质量夸克模型(confined-density-dependent-mass(CDDM))进行推广,把同位旋依赖性加入到了夸克的有效质量里面,提出了同位旋质量密度相关模型(confined-isospin-density-dependent-mass(CIDDM))。利用这个模型,我们研究了夸克物质的对称能,并且基于弱相互作用β稳定条件(β-equilibrium),给出了夸克物质的稳定性条件和夸克星的性质,比如质量半径关系等等。我们发现,如果在夸克的有效质量里面考虑同位旋相关性这个因素,夸克物质的对称能,以及夸克星的性质会随之发生较大的改变。最近实验探测的大质量脉冲星PSR J1614-2230和PSR J0348+0432的发现提供了两个接近两倍太阳质量的大质量致密星体。如此大质量的致密星体,以夸克星的观点来看,很难以普通的质量密度相关模型来给出,这是因为传统的质量密度相关模型所对应的夸克物质的物态方程比较“软”(这里“软”是指物态方程的斜率比较小),很难提供足够大的压强来抵消引力,所以不能描述两倍太阳质量的夸克星。而在同位旋质量密度相关模型下,夸克星可以达到两倍太阳质量。在计算结果中给出两味的u-d夸克物质的对称能在至少达到自由夸克费米气体或者传统的Nambu-Jona-Lasinio(NJL)模型的两倍时,就可以描述出大质量脉冲星PSR J1614-2230和PSR J0348+0432。  之后在基于理查德森禁闭势能的禁闭夸克模型的研究中,我们扩展了加入理查德森势能的禁闭夸克模型,组分夸克质量被假定为粒子数密度相关并考虑了同位旋相关性。在这个扩展的同位旋密度相关的禁闭夸克模型里,我们研究了奇异夸克物质和夸克星的性质。我们发现在组分夸克质量里面考虑了同位旋相关性可以很大程度地影响夸克物质的对称能、奇异夸克物质的稳定性以及夸克星的质量半径关系。  关于致密星体有一个重要的论题就是致密星体里可能含有强磁场。为了简化计算磁星问题的复杂性,我们利用之前讨论的同位旋质量密度相关模型(CIDDM)研究了强磁场下的奇异夸克物质和夸克星的一些性质。我们自洽地给出了常数磁场下的奇异夸克物质的物态方程,结果表明垂直于磁场方向上的压强高于平行于磁场方向的压强。我们引入了一个密度相关的磁场强度来模拟静态球对称的夸克星的性质,其中假定了磁场方向取向的两种极端情况:一种是星体内局域磁场的方向和星体半径方向同向,另一种是磁场方向在与径向垂直的平面上随机分布。我们的结果指出,考虑了沿径向(垂直方向)的磁场可以很大程度上地减小(增加)夸克星的最大质量,于是我们得到结论:磁化的夸克星的性质不仅仅依赖于分布于星体内部的磁场的强度而且还依赖于星体内磁场的方向。  最后在考虑了矢量相互作用以及磁化胶子的强磁场下SU(3)NJL模型的研究中我们利用人们更加广泛使用的NJL模型讨论磁星的性质。我们研究了矢量-同位旋标量和矢量-同位旋矢量相互作用的效应对于奇异夸克物质的物态方程的影响。我们发现奇异夸克物质的物态方程对矢量-同位旋矢量道的效应不敏感,而矢量-同位旋标量相互作用会使得冷密夸克物质的物态方程变硬。由于磁场的加入,我们也考虑了压强的各向异性,而且在工作中首次提出了磁化胶子对压强有贡献。最后通过密度相关磁场给出了夸克星内的磁场分布,并且在综合考虑磁场、矢量-同位旋标量效应以及磁化胶子的贡献之后,我们给出了能描述两倍太阳质量夸克星的参数取值空间。
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