From QCD to Neutron Stars and Back : Probing the Fundamental Properties of Dense Matter

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1294-1
Title: From QCD to Neutron Stars and Back : Probing the Fundamental Properties of Dense Matter
Author: Annala, Eemeli
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Helsinki Institute of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-11-05
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1294-1
http://hdl.handle.net/10138/320266
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The first theoretical attempts to study neutron stars — the immensely dense remnants of massive stars — were conducted in the 1930s, but it took nearly 40 years for the first one to be detected. Ever since, these fascinating objects have been the subject of significant interest; both nuclear and particle physicists and astronomers have tried to understand their micro- and macro-scale properties. Regardless, the composition of neutron-star cores has, to large extent, remained unknown. This is somewhat surprising because the underlying microscopic theory — quantum chromodynamics — has been available for several decades. Because it is impossible to describe the structure of neutron stars using current ab initio techniques, other kinds of approaches need to be exploited. In this thesis, state-of-the-art nuclear and particle theory calculations were utilized to restrict the dense-matter equation of state at low and high densities, respectively. Between these two limits, there exists a region, where the equation of state needs to be approximated by employing various interpolation tools. Our analysis has revealed that both the mass-radius curve of neutron stars and the underlying equation of state can be efficiently constrained by making use of the latest astronomical observations — such as the tidal-deformability measurement from the gravitational-wave event GW170817. We have also shown that there exists convincing evidence that the most massive neutron stars have deconfined quark matter in their cores assuming that the equation of state is not very extreme. In addition, we have taken some first steps towards the realistic implementation of the gauge/gravity duality in neutron-star physics. This method allows one to investigate strongly coupled quantum systems using simpler gravity-based setups. This approach has already led to several promising results in many fields, from condensed matter physics to the study of quark-gluon plasma. It is, therefore, a worthy candidate to become a fruitful framework to examine neutron-star physics, complementing the current nuclear and particle theory methods. It is expected that the improvement of theoretical calculations together with new, more precise observations will likely resolve the equation of state within a decade or two. Moreover, this progress will eventually disclose, whether quark matter resides inside the heaviest neutron stars in existence. The development of holographic tools may also open up new and powerful ways to study matter at its most extreme densities.Neutronitähdet ovat mustien aukkojen ohella kaikista tiheimpiä tunnettuja kappaleita. Näiden tähtien jäänteiden ominaisuuksia on yritetty kuvata aina 1930-luvulta alkaen, mutta ensimmäinen havainto tällaisesta kohteesta saatiin vasta noin 40 vuotta myöhemmin. Siitä lähtien neutronitähdet ovat kuitenkin olleet niin fyysikoiden kuin tähtitieteilijöidenkin mielenkiinnon kohteina niiden rikkaan ilmiömaailman ja poikkeuksellisen suurien tiheyksien vuoksi. Neutronitähtien ytimien koostumus on tästä huolimatta edelleen mysteeri, vaikka niiden mikroskooppisia ominaisuuksia kuvaava teoria, niin sanottu kvanttiväridynamiikka, on ollut tunnettu jo vuosia. Koska neutronitähtien rakennetta ei voida selvittää lähtien fysiikan perusteista, on käytettävä muita lähestymistapoja. Hiukkas- ja ydinfysiikan edistysaskeleet ovat tästä huolimatta mahdollistaneet aineen mikroskooppisten ominaisuuksien kartoittamisen hyvin suurilla ja pienillä tiheyksillä. Näiden kahden alueen välissä on kuitenkin vielä olemassa tiheyskaistale, jossa näitä ominaisuuksia kuvaava tilanyhtälö on vielä tuntematon. Tässä väitöskirjassa tätä neutronitähtien ytimien kannalta tärkeää aluetta tutkittiin interpoloimalla matalan ja korkean tiheyden tuloksia. Näiden lisäksi tässä tutkielmassa tarkasteltiin niin sanotun holografisen dualiteetin hyödyntämistä neutronitähtitutkimuksessa. Tämän menetelmän avulla on mahdollista suorittaa vaikeita kvanttikenttäteoreettisia laskelmia hyödyntäen gravitaatioon perustuvia järjestelmiä, joissa useat ongelmat ovat helpommin ratkaistavissa. Korkean tiheyden tilanyhtälöä voidaan esimerkiksi jatkaa selvästi pienemmille tiheyksille tämän tekniikan avustuksella. Tässä väitöskirjassa osoitettiin, että erilaiset neutronitähtihavainnot rajaavat tehokkaasti niin tilayhtälöä kuin neutronitähtien makroskooppisia ominaisuuksiakin. Tätä tietoa voidaan myös hyödyntää tutkiessa neutronitähtien ytimien koostumusta. Tässä tutkielmassa löydettiinkin vahvoja viitteitä siitä, että ytimessä olisi jopa merkittäviä määriä kvarkkiainetta. Tässä väitöskirjassa otettiin myös edistysaskel kohti holografisen dualiteetin realistisempaa hyödyntämistä neutronitähtitutkimuksessa. On oletettavaa, että teoreettisten menetelmien kehitys sekä uudet tähtitieteelliset havainnot tulevat merkittävästi rajaamaan neutronitähtien tilanyhtälöä lähivuosina. Tämän seurauksena on todennäköistä, että myös neutronitähtien ytimen koostumus selviää tulevina vuosikymmeninä. Holografisten menetelmien kehittyminen voi vastaisuudessa lisäksi avata aivan uusia väyliä neutronitähtifysiikan tutkimuksessa.
Subject: teoreettinen fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record