多信使天文学中的致密量子色动力学

The determination of the QCD phase structure has been a long-standing problem. The main uncertainties are in the understanding of matter at low temperature and high baryon density. This situation is changing dramatically in the era of the multi-messenger astronomy which has just begun; recent and forthcoming astrophysical observations for neutrons, supernovae, and neutron star (NS) merger events, offer us gravitational waves, neutrinos, and electromagnetic signatures as probes to study the multi-facets of neutron star matter and the QCD matter inside of it...In this project we will explore the properties of dense matter from the QCD perspectives, and confront our understanding with the astrophysical observations. We study cold and hot equations of state (EoS), transport properties, and the profile of the matter. The domain we will study is the baryon density nB ranging from ~2n0 to ~20n0 (n0: nuclear saturation density), and temperatures from zero to a few hundreds MeV. In this range neither hadronic nor weak coupling quark matter descriptions are justified, so that the microscopic treatments of quarks and gluons at strong coupling will be elaborated. We begin with methods beyond conventional mean field calculations by including fluctuations through either the functional renormalization group or 2PI formalism...Our studies have impacts on the observables in the following ways: hot EoS at nB >2n0 has impacts on the gravitational wave signals from the post merger stage of NSs; the hot EoS and transport quantities in proto-NS matter with degenerate neutrinos affect the supernovae explosion, flavor conversions of neutrinos, and nucleosynthesis. Meanwhile, we can obtain the feedback from the astrophysics to address the fundamental questions on the QCD phase diagram. The questions include the order of hadron-quark phase transitions and the possibility of hadron-quark continuity or confinement-Higgs crossover in dense QCD.

最近和即将对中子星、超新星和中子星合并事件进行的天体观测，为我们提供了引力波、中微子和电磁信号，作为探测中子星及其内QCD物质的探针。本项目将从QCD的角度来探索致密物质的性质，并与天体物理的观测对比。我们将研究冷和热状态方程(EOS)，输运性质，以及物质的结构。我们将要研究的范围是重子密度nB从2倍到20倍核饱和密度(n0)，温度从零到几百MeV。在这一范围内，强子和弱耦合夸克物质描述都是不合理的，因此，将详细阐述在强耦合时夸克和胶子的微观处理。 我们的研究从以下几个方面影响观测结果的理解：NB>2n0的热Eos对NSS合并后的引力波信号有影响；原NS物质中的热EOS和输运性质与简并中微子一起影响超新星爆炸、中微子味转化和核合成。我们可以从天体物理学中获得反馈，以解决QCD相图上的基本问题。这些问题包括强子-夸克相变的阶数和强子-夸克连续性的可能性或在致密QCD中的禁闭--希格斯平滑过渡

在GW170817双中子星(NS)并合首次探测到引力波后，该事件开启“多信使天文学”领域。利用引力、电磁和中微子信号，我们可以研究冷、静态中子星的结构及其动力学理论。包含物质组成和热修正的状态方程(EOS)，是此类研究的关键因素之一。..该项目的目的是构建QCD 状态方程(EOS)，并研究与多信使天文学相关的2~5倍核饱和密度物质的输运性质(n0 = 0.16fm-3 核饱和密度 )。因此，阐明致密QCD物质中的微观物理是十分重要的。.基于夸克-强子-连续性(QHC)假设，我们构建了冷中子星的QHC19和QHC21 的EOS，以及通常情况下基于核物质与所谓的2SC夸克物质直接匹配的电荷份额和温度下的EOS。 .采用具有现象学热修正的QHC19状态方程对中子星并合进行了广义相对论模拟。我们发现引力波频谱不同于传统的纯核模型或强子夸克混杂模型，QHC模型普遍存在的EOS的快速硬化现象。..通过考虑强子的夸克结构，我们最近提出了两种基本描述方法。第一个是模-模渗透它将重子之间的夸克交换过程与夸克离解联系起来。另一种是夸克和重子的对偶模型。.该模型允许我们将原子核描述转换为夸克描述，反之亦然，且没有任何关于自由度重复计算的问题。对偶描述自然的导致EOS的快速硬化，这正是低动量夸克态饱和的结果。快速硬化的典型密度为1~3倍的核饱和密度，这与中子星观测值一致。..该项目中新发展的两个描述有可能改变对密度大于通常饱和密度的核物质描述的传统认知，包括考虑奇异数在内的模型。下一步我们将对物质组成进行更详细的分析，并探究它们对双中子星并合产生的电磁辐射和中微子发射的影响。