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Colour Superconductivity and the Equation of State of Dense Matter

Schallmo, Benedikt Paul (2024)
Colour Superconductivity and the Equation of State of Dense Matter.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028090
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Colour Superconductivity and the Equation of State of Dense Matter
Language: English
Referees: Braun, Prof. Dr. Jens ; Hebeler, PD Dr. Kai
Date: 23 September 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 186 Seiten
Date of oral examination: 5 June 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028090
Abstract:

It is widely accepted that dense strong-interaction matter at low temperatures is governed by a colour-superconducting ground state. To study the emergence of colour superconductivity in dense strong-interaction matter at zero temperature for two massless quark flavours from first principles, we employ a renormalisation group approach. For this purpose, we construct a new class of regulators for functional renormalisation group studies that is designed to handle issues arising from the presence of a Cooper instability governing the dynamics at intermediate and high densities. We examine the dynamical formation of diquark states in the low-energy regime from the fundamental quark and gluon degrees of freedom that govern the dynamics at high energies. This includes a computation of the (chirally symmetric) diquark condensate, which is associated with a gap in the excitation spectrum of the quarks, and describes pairing of the two-flavour colour-superconducting type. We study the dependence of the gap on the chemical potential and the strong coupling and find a new scaling behaviour of the gap expected to be valid at intermediate densities. Effects of different approximations entering our calculation and possible extensions are discussed. Furthermore, we use the results from our first-principles renormalisation group flows to construct a new simple low-energy model for dense strong-interaction matter. We demonstrate the application of this low-energy model by computing the zero-temperature thermodynamics of isospin-asymmetric matter with two massless quark flavours at high densities and zero temperature. For trajectories relevant for astrophysical applications, we find indications for a first-order phase transition from a colour-superconducting phase to an ungapped quark-matter phase when the density is increased. This phase transition appears to be absent for isospin-symmetric matter. To provide an estimate for the speed of sound in neutron-star matter, we include constraints from beta equilibrium, electric-charge neutrality, and colour-charge neutrality. Coming from high densities, we find an increase in the speed of sound towards lower densities and that it even exceeds the value associated with the noninteracting quark gas. In addition to our explicit calculations of the properties of dense strong-interaction matter, we also discuss the thermodynamics at high densities on general grounds. To this end, we consider an expansion of the equation of state of isospin-symmetric matter in the presence of a colour-superconducting gap. This allows us to identify mechanisms underlying qualitatively different behaviours of the speed of sound. For very high densities, we find that the speed of sound approaches its value in the noninteracting limit from below, in agreement with perturbative studies which do not take into account a superconducting gap in the excitation spectrum of the quarks. However, towards lower densities, our general analysis indicates that gap-induced contributions lead to an increase in the speed of sound that eventually exceeds the value associated with a noninteracting quark gas, in agreement with our numerical renormalisation group results. We find that, even for small gap-induced contributions, the existence of a colour-superconducting phase leads to a qualitative change in the behaviour of the speed of sound. Taking into account results from studies based on chiral effective field theory at low densities, these findings suggest the existence of a maximum in the speed of sound at supranuclear densities for densities below ten times the nuclear saturation density.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Es ist allgemein anerkannt, dass dichte, stark wechselwirkende Materie bei tiefen Temperaturen von einem farbsupraleitenden Grundzustand beherrscht wird. Um die Entstehung von Farbsupraleitung in dichter, stark wechselwirkender Materie bei verschwindender Temperatur für zwei masselose Quark-Flavours von fundamentalen Prinzipien ausgehend zu untersuchen, verwenden wir einen Renormierungsgruppenansatz. Zu diesem Zweck konstruieren wir eine neue Klasse von Regulatoren für funktionale Renormierungsgruppenstudien, die entworfen wurde, um Probleme zu behandeln, die sich aus dem Vorhandensein einer Cooper-Instabilität ergeben, welche die Dynamik bei mittleren und hohen Dichten bestimmt. Wir untersuchen die dynamische Bildung von Diquark-Zuständen im Niederenergie-Regime ausgehend von den fundamentalen Quark- und Gluon-Freiheitsgraden, die die Dynamik bei hohen Energien bestimmen. Dies beinhaltet die Berechnung des (chiral-symmetrischen) Diquark-Kondensats, das mit einer Energielücke im Anregungsspektrum der Quarks assoziiert ist. Wir untersuchen die Abhängigkeit der Energielücke vom chemischen Potential und der starken Kopplung und finden ein neues Skalierungsverhalten dieser Energielücke, welches für mittlere Dichten gültig sein sollte. Die Auswirkungen verschiedener Näherungen, die in unserer Berechnung verwendet werden, und mögliche Erweiterungen werden diskutiert. Darüber hinaus verwenden wir die Ergebnisse dieser Renormierungsgruppenrechnungen, um ein neues und einfaches Niederenergiemodell für dichte, stark wechselwirkende Materie zu konstruieren. Wir demonstrieren die Anwendung dieses Niederenergie-Modells, indem wir die Thermodynamik von isospin-asymmetrischer Materie mit zwei masselosen Quark-Flavourn bei hohen Dichten und verschwindender Temperatur berechnen. Für Trajektorien, die für astrophysikalische Anwendungen relevant sind, finden wir Hinweise auf einen Phasenübergang erster Ordnung von einer farbsupraleitenden Phase zu einer ungekoppelten Quark-Materie-Phase, wenn die Dichte erhöht wird. Dieser Phasenübergang scheint in isospin-symmetrischer Materie nicht aufzutreten. Um die Schallgeschwindigkeit in Neutronensternmaterie abzuschätzen, berücksichtigen wir Randbedingungen durch das Betagleichgewicht, die elektrische Ladungsneutralität und die Farbladungsneutralität. Wir stellen fest, dass die Schallgeschwindigkeit von hohen Dichten zu niedrigen Dichten zunimmt und sogar den Wert übersteigt, der mit einem nicht wechselwirkenden Quarkgas assoziiert wird. Zusätzlich zu unseren expliziten Berechnungen der Eigenschaften dichter, stark wechselwirkender Materie diskutieren wir die Thermodynamik bei hohen Dichten auf Basis allgemeinerer Überlegungen. Zu diesem Zweck untersuchen wir eine Entwicklung der Zustandsgleichung für isospin-symmetrische Materie in Gegenwart einer farbsupraleitenden Energielücke. Dies ermöglicht die Identifizierung der Mechanismen, die dem qualitativ unterschiedlichen Verhalten der Schallgeschwindigkeit zugrunde liegen. Bei sehr hohen Dichten nähert sich die Schallgeschwindigkeit ihrem Wert im nicht-wechselwirkenden Limit von unten an, was mit perturbativen Studien übereinstimmt, die eine supraleitende Energielücke im Anregungsspektrum der Quarks nicht berücksichtigen. In Richtung niedrigerer Energien zeigt unsere allgemeine Analyse jedoch, dass Beiträge, die durch die Bindungslücke induziert werden, zu einem Anstieg der Schallgeschwindigkeit führen, sodass diese schließlich den Wert übersteigt, der mit einem nicht-wechselwirkendem Quarkgas assoziiert ist. Diese Beobachtung stimmt auch mit unseren numerischen Renormierungsgruppenergebnissen überein. Wir stellen fest, dass selbst bei kleinen durch die Bindungslücke induzierten Beiträgen die Existenz einer farbsupraleitenden Phase zu einer qualitativen Änderung des Verhaltens der Schallgeschwindigkeit führt. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse von Studien, die auf chiralen effektiven Feldtheorien bei niedrigen Dichten basieren, deuten diese Erkenntnisse auf die Existenz eines Maximums der Schallgeschwindigkeit bei supranuklearen Dichten unter dem Zehnfachen der nuklearen Sättigungsdichte hin.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-280900
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Theoretische Kernphysik > Quanten-Chromo-Dynamic
TU-Projects: DFG|SFB1245|B05 Braun SFB1245
Date Deposited: 23 Sep 2024 11:33
Last Modified: 24 Sep 2024 09:36
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28090
PPN: 521657393
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