2018 Fiscal Year Annual Research Report
Extreme matter studies based on neutron star phenomeologies
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18H01211
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
福嶋 健二 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (60456754)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
日高 義将 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 専任研究員 (00425604)
飯田 圭 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 教授 (90432814)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 中性子星 / 状態方程式 / クォーク・ハドロン連続性 / 渦糸 / 非アーベル的渦糸 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究における究極的な目標は中性子星の構造を理論的に解明すべく、状態方程式を観測的、現象論的および理論的に構築することである。本年度は特にこの3本柱の研究軸における、理論的な部分に注力した研究成果をあげることができたので、ここに報告する。
中性子星研究では、中性子星の最大質量が、内部物質の状態方程式に強い制限をかけることがよく知られている。特に広く知られているのは、太陽質量の2倍を超える重い中性子星の存在が、いわゆる「柔らかい」状態方程式を排除することである。柔らかい、硬い、という言い回しは同じエネルギー密度の増加に対して圧力がゆっくり増加するか、それとも急速に増加するか、の違いを表す学術的な語法である。重い中性子星の存在を説明するために状態方程式は硬くなければならず、一般に、強い1次相転移（圧力が変化することなくエネルギー密度が不連続的に変化する）は許されないことになる。
１次相転移が排除されることをもって、中性子星内部にはクォーク物質が存在しない、と主張する研究者もいるが、これは誤謬に満ちた表現であると言わざるをえない。実際、相転移することなく核物質がクォーク物質へと転化する可能性は20年来、議論されており、クォーク・ハドロン連続性と呼ばれている。換言すれば、中性子星の観測は、相転移することなく核物質からクォーク物質へと転化するような現象論的状態方程式を示唆している。
我々はクォーク・ハドロン連続性の理論的な根拠を深堀りするために、トポロジー的な励起におけるクォーク相自由度とハドロン相自由度との対応関係について考えた。先行研究ではハドロン相の渦糸が、クォーク相のCFL渦糸と呼ばれる励起と対応するシナリオが提唱されていたのだが、我々はより自然に非アーベル的CFL渦糸につながる可能性を指摘し、ゲージ固定した理論における連続性の実現メカニズムを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本来は本研究計画は観測、現象論、理論という3本柱で中性子星物理へと肉薄することを目指すものだが、本年度は、具体的な実績を挙げることができたのは理論的な研究だけだった。これは本研究での実働部隊として機動力を期待していたポスドク研究員をタイミングよく雇用できなかったことが大きな要因である。理論的な考察にも優れ数値計算能力も抜きん出たポスドク研究員候補がいたのだが、他の研究所へと異動が決まったばかりで、即戦力となる新たな人材を見出すのに時間がかかってしまった。一方で、理論的な研究は大規模な数値計算も必要ないことから順調に展開することができた。ハドロン相とクォーク相との渦糸の連続性の研究のほかにも、カイラリティと電磁場との協調現象についても成果をあげることができた。カイラリティの物理は中性子星の状態方程式の構築と一見して直接的関係がない印象を与えるかも知れないが、実は、中性子星の進化や構造を考えるうえで極めて重要であることを強調しておきたい。特に、中性子星は強磁場環境であるから、その内部に、ほぼカイラルフェルミオンと見做せるようなクォーク自由度が解放されているとすると、磁場とクォークの結合はトポロジー的に非自明な現象論的帰結をもたらす可能性がある。このような発展性のある基礎研究は順調に進捗しており、観測的および現象論的研究の遅れをある程度、補う形となった。これらを総合的に勘案して、全体の評価を「やや遅れている」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は理論的な研究をさらに強力に推し進めると同時に、一刻も早くポスドク研究員を雇用して、観測的および現象論的な方向性を推進していかねばならない。それぞれの方向性についての戦略を以下に述べる。
観測的な研究は、中性子星にまつわる観測データを直接用いて、興味ある物理量に関する具体的な情報を引き出すことを目標とする。現在は中性子星の質量と半径の関係、いわゆるM-R関係が解析の中心となるが、将来的にはNICERからの半径に関する制限、そして重力波からの潮汐力係数から得られる制限など、系統的に取り入れていくことが必須となる。このような目的に合致した方法として、現在はベイズ統計に基づくアプローチが一般的なものとなっているが、我々は機械学習を応用した解析方法を提唱しようとしている。機械学習を用いる利点は、今後、 手に入る様々な観測量の種類が増えて、いわゆる、マルチメッセンジャー天文学の時代が到来したときに、機械学習の基本的なアーキテクチャを変更することなく対応できる、つまり方法の拡張が容易な点である。このプロジェクトの最終ゴールはツールのライブラリ化であり、これには計算機資源に加えて人的資源が絶対的に必要である。次年度以降、ポスドク研究員を雇用して戦力強化を図る。
次に、現象論的な研究では、状態方程式の構築、それに尽きる。高温物質で大きな成功を収めたハドロン共鳴模型に、排除体積効果によって相互作用を導入することで、高温のみならず高密度でも使える汎用の状態方程式模型を提案することができると考えている。そのためにはまず、メソンとバリオンについて正しく排除体積効果を取り込んだハドロン共鳴模型の数値計算コーディングが必要である。これ自体は何も複雑なプロセスを含まないが、現実的な模型として使用に耐えるように鍛えるためには試行錯誤が不可欠であり、やはり人的資源の投入が重要な鍵となる。
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