Three-dimensional calculation of inhomogeneous nuclear matter

核物質の非一様構造の3次元計算

岡本 稔; 丸山 敏毅  ; 矢花 一浩*; 巽 敏隆*

Okamoto, Minoru; Maruyama, Toshiki; Yabana, Kazuhiro*; Tatsumi, Toshitaka*

中性子星のクラストと呼ばれる領域や超新星を構成する低密度核物質において、原子核パスタと呼ばれる非一様構造の存在が示唆されてきた。これまでパスタ構造に対する研究ではしばしばウィグナーザイツセル近似が用いられてきた。しかし、この近似では対称性の高いパスタ構造が低密度核物質において基底状態になるように制限をかけている可能性がある。今回われわれは相対論的平均場模型とトーマスフェルミ近似を用いて核物質の非一様構造に対して対称性を課さない空間3次元の計算を行った。周期的境界条件を課したセルを、その中に構造が周期的に現れる程大きく設定し、中間子とクーロン場に対する連立方程式を解いた。バリオン密度に関しては、初期条件としてランダムにフェルミオンを分散させた状態から始め、それらの化学ポテンシャルが一様になるように密度分布を求めた。その結果、従来示唆されてきたパスタ構造が空間3次元の計算においても現れることを確認した。またウィグナーザイツセル近似を用いた場合との定量的な比較や、新たなパスタ構造の可能性についても議論した。

In low-density nuclear matter which is relevant to the crust region of neutron stars and collapsing stage of supernovae, non-uniform structures called nuclear pasta are expected. Such pasta structures may play important roles, cooling process of neutron stars and the equation of state. So far, most works on nuclear pasta have used Wigner-Seitz cell approximation. We perform three-dimensional calculation of non-uniform nuclear matter based on the relativistic mean field model and the Thomas-Fermi approximation without any geometrical symmetry. Introducing a large cubic cell with periodic boundary conditions, we numerically solve the coupled field equations for mesons and the Coulomb potential. We demonstrate that the typical pasta structures appear in the three-dimensional calculations. The most stable structure and the EOS of matter with and without WS cell approximation are compared. Then we present newly observed structures which may appear as exited states of matter.