東北大、中性子星での存在が予想されるクォーク物質に関する新理論を提唱

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東北大学は4月10日、核子(陽子や中性子)などの複合クォーク粒子である「ハドロン物質」から、ハドロン物質が相互に重なり合うような超高密度物質において開放されるクォークが作るとされる「クォーク物質」へのクロスオーバー領域の物理を記述するべく、「クォーク・ハドロン双対模型」を構築したと発表した。

同成果は、東北大大学院 理学研究科 物理学専攻の古城徹准教授、米・ワシントン大学の藤本悠輝研究員らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

クォークは通常は単体では存在できず、3個セットの「バリオン」か、2個セットの「中間子(メソン)」となり、これらのクォーク複合粒子は「ハドロン」と呼ばれる。ただし、桁外れの圧力が物質に加わると、バリオン内のクォークの自由度が顕在化し、クォークを基本的自由度とする「クォーク物質」になることが予想されている。

そのクォーク物質が存在するかも知れない領域が、半径10kmほどの天体に太陽の1～2倍の質量が詰まった中性子星の中心付近。原子核物理の典型的な密度の単位として、標準核物質密度n0=0.16fm-3が用いられるが、中性子星の中心領域の密度は5n0程度にも達しており、これは核子同士が互いに重なり合うほどに高密度で、クォーク自由度が顕在化している可能性があるという。

中性子星には質量の上限があり(それを超えるとブラックホールになる)、それを決めるのが、物質が持つエネルギー密度(ε)と圧力(P)を関係づける「状態方程式」(EOS)。EOSが「硬い」という場合、考えているエネルギーにおける圧力が大きいことを意味する。

近年、中性子星の質量上限が更新され続けており、現在は太陽質量の約2.1倍に達している。つまり、中性子星内部は従来考えられていたよりもずっと硬い可能性がある。低密度領域においては比較的柔らかいEOSが示唆されているため、なぜEOSが高密度で急激に硬くなるかわかっていなかったとのこと。

そうした中で「ハドロン物質とクォーク物質は滑らかなクロスオーバー転移でつながっている」という考え方が徐々に浸透してきているという。クォークは、低密度ではハドロン同士の相互作用の担い手として現れ、高密度へと向かうにつれ熱力学的における基本的自由度へと進化するのである。しかしクロスオーバー領域を具体的に記述しようとすると、基本的な自由度がハドロンかクォークなのか明確でないことによる困難に直面する。そこで研究チームは今回、同領域の物理を記述すべく、「クォーク・ハドロン双対模型」を構築することにしたという。