研究背景
高于核密度的物质处于怎样的物质状态（supranuclear matter composition）一直是亟待解决的基本问题，也是长期以来与中子星物理直接相关的难题。在数倍核密度的中子星高密核心，可能存在超子、介子的凝聚，甚至是夸克物质。根据1970年代基于简单MIT袋模型的定量研究，中子星甚至可能完全由奇异夸克物质（usd夸克物质）组成；也有学者提出，考虑夸克气体的味依赖反馈，两味夸克物质（ud夸克物质）会比uds夸克物质更稳定。区别于通过引力束缚的中子星，这种ud或uds夸克星通过强相互作用自束缚稳定存在（Witten hypothesis）。夸克物质的绝对稳定性（即夸克物质是重子物质的真正基态），可能对诸多天体物理学和宇宙学的热点问题产生关键影响（例如宇宙线cosmic ray、超新星supernovae、伽玛射线暴GRB、快速射电暴FRB、脉冲星glitch），也是一个强相互作用的非微扰难题。我们近来的工作拟通过基于中子星的天文观测来检验重子物质的真正基态，并且对夸克物态进行限制。
(Figure: A commonly conjectured form of the phase diagram. © 2011 CERN – Antonin Maire)
研究内容
鉴于高密下存在非微扰难题，无法从第一性原理QCD直接进行计算。这里，我们从具备QCD基本对称性的高能唯象理论模型（Nambu-Jona-Lasinio (NJL) model）出发，在原来拉氏量的基础上通过引入Fierz transformation考虑费米子的重排效应，将夸克交换道中的贡献纳入其中，使得唯象model更加完备。进而，在平均场近似的基础上得到夸克物质的状态方程（EOS， 压强和能量密度的关系），寻找自束缚夸克物质能够稳定存在的物理参数空间。在ud和uds夸克物质稳定存在的参数窗口，利用 Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) 方程构建处于流体静力学平衡的质量-半径稳定构型，并且与目前的观测结果（PSR J0030+0451和PSR J0740+6620的热X射线观测及GW170817双中子星并合事件的引力波观测）相比较。
我们的结果表明，ud夸克星和uds夸克星都可与目前的质量、半径和潮汐形变限制相协调；ud夸克星允许的最大质量大于uds夸克星，最高可达2.7倍太阳质量，所以具有更高的不可压缩性（incompressibility）。进一步与中子星中的密度和声速性质作比较，我们发现：ud和uds夸克星中的声速都是单调上升的，并在高密超过（微扰QCD）共形极限（conformal limit），这与基于简单袋模型中在假设夸克近自由的情况下得到的近共形极限的常声速结果有本质不同；而中子星中的声速可远超共形极限的特征行为可自然基于其和夸克星在结构上的巨大差异来理解。比如，从两类星体的密度分布可以看出：ud和uds夸克星都具有接近核密度的巨大表面密度，核心密度仅比表面高几倍，而中子星从表面和核心有14个量级的密度变化。
图：夸克星和中子星内部的密度分布（densiy profile）比较（质量为1.4倍太阳质量；上：奇异uds夸克星，下：非奇异ud夸克星）。
研究展望
“如果大家学物理，看教科书，就会发现现在所学的量子力学方法都是用来处理单体问题或者能化成单体问题来处理的物理问题。很多不能用单体来处理的问题，也是假设能在单体问题的基础上，通过微扰的方法来处理。量子场论就是一种微扰方法，但实际上，很多物理问题是不能用微扰方法来处理的。例如，强相互作用问题，这是粒子物理研究的基本问题，就是一个非微扰问题；凝聚态物理理论研究的高温超导机理问题，这是21世纪需要解决的基本问题之一，也是一个非微扰问题。”（摘自中国科学院物理研究所向涛院士“对21世纪物理学的愿景展望”在圆桌论坛 (2021年9月22-23日）上的发言）。尽管目前的中子星观测还无法判断重子物质的真正基态，将来，依赖改进的有限密度强相互作用理论模型，有望对高于核密度的物质状态有更多的认识，以促进解决相关天体物理学和宇宙学问题。
本研究工作已被Phys. Rev. D接受发表（论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.105.123004 ），第一作者为苑文莉（南大和厦大联合培养博士研究生），合作者为缪志强（厦门大学）、左炳君（南京大学）、摆展（中科院理论所），通讯作者为李昂教授。得到科技部SKA专项、国家自然科学基金、中国载人航天工程巡天空间望远镜专项及厦门市青年创新基金项目的支持。
