回転 カラー超伝導体 - 京都大学...muneto nitta(新田宗土) (keio...

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Muneto Nitta(新田宗土) (Keio U./慶應大学) 回転するカラー超伝導体: の構造とその電磁特性 ハドロン物質の諸相と状態方程式 中性子星の観測に照らして 2012年9月1日@京大基研

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Page 1: 回転 カラー超伝導体 - 京都大学...Muneto Nitta(新田宗土) (Keio U./慶應大学)回転するカラー超伝導体: 渦の構造とその電磁特性 ハドロン物質の諸相と状態方程式

Muneto Nitta(新田宗土) (Keio U./慶應大学)

回転するカラー超伝導体:

渦の構造とその電磁特性 ハドロン物質の諸相と状態方程式

- 中性子星の観測に照らして -

2012年9月1日@京大基研

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1. with Nakano,Matsuura, Phys.Rev.D78:045002,2008 [arXiv:0708.4096]

2. with Eto, Phys.Rev.D80:125007,2009 [arXiv:0907.1278]

3. with Eto,Nakano, Phys.Rev.D80:125011,2009 [arXiv:0908.4470]

4. with Eto,Yamamoto, Phys.Rev.Lett.104:161601,2010 [arXiv:0912.1352]

5. with Yasui,Itakura, Phys.Rev.D81:105003,2010 [arXiv:1001.3730]

6. with Hirono,Kanazawa, Phys.Rev.D83:085018,2011 [arXiv:1012.6042]

7. with Eto,Yamamoto, Phys.Rev.D83:085005,2011 [arXiv:1101.2574]

8. with Fujiwara,Fukui,Yasui, Phys.Rev.D84:076002,2011 [arXiv:1105.2115]

9. with Hirono, Phys.Rev.Lett.109:062501,2012 [arXiv:1203.5059]

10. with Vinci,Cipriani, arXiv:1206.3535

11. with Cipriani,Vinci, arXiv:1208.5704

仲野英司(高知大), 松浦妙子(北大), 衛藤稔(山形大),

山本直希(INS, Seatle), 安井繁宏(KEK) , 板倉数記(KEK),

広野雄士(東大/理研), 金澤拓也, 藤原高徳(茨城大),

福井隆裕(茨城大), Walter Vinci(Pisa), Mattia Cipriani(Pisa)

共同研究者 青=ハドロン・原子核、緑=素粒子、赤=物性

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Zwierlein, Abo-Shaeer,

Schirotzek, Schunck

& Ketterle

Nature 435, 1047-1051

(23 June 2005)

BEC/BCS Crossover

Abo-Shaeer, Raman, Vogels, Ketterle, Science 292, 476-479 (2001)

Vortex nucleation in superfluid under rotation

Ultracold

atomic

BEC

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http://ltp.phys.

titech.ac.jp

/vormat.htm

Conventional

supercond

High Tc

supercond

Abrikosov

vortex lattice

Superconductors

in magnetic field

Vortex

Flux tube

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Proton

super-

conductor

Neutron

superfluid

Rotation

Magnetic

field

Neutron Stars

Core Nuclear matter

Superfluid

vortices

vortices

(Flux tubes)

Baym&Pines (‘60s)

Anderson&Itoh (‘75)

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from Fukushima & Hatsuda

Rept.Prog.Phys. 74 (2011) 014001

Topic in this talk

Purpose: Suppose that quark matter

is realized in neutron star cores.

Then, what happens?

Confirm/deny it.

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“Color superconductor” @ high density

i

kj

ijki qq 1~

iqi = u,d,s flavor(global) SU(3)

α = r,g,b color(gauge) SU(3)

quarks

3x3 matrix

Quantum Chromo Dynamics (QCD)

Alford-Rajagopal-

Wilczek(‘98)

Color superconductivity

as well as superfluidity

Quark matter

from Fukushima & Hatsuda

Rept.Prog.Phys. 74 (2011) 014001

Color-flavor locked

(CFL) phase

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kjijki qq

)bg,r,(3,2,1 )sd,u,(3,2,1i

udssbddsu

rgb

brg

gbr

duussd

duussd

duussd

grgrgr

rbrbrb

bgbgbg

i

][][][

][][][

][][][

Color superconductor

FCB )3()3()1( SUSUUG flavorcolor gge i

i

i

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kjijki qq

)bg,r,(3,2,1 )sd,u,(3,2,1i

udssbddsu

rgb

brg

gbr

i

00

00

0 0

Ground

state

color superconductivity

Color superconductor

FC)3( SUHC)3(SU

B)1(UFCB )3()3()1( SUSUUG superfluidity

color-flavor

locked (CFL)

1

flavorcolor

gg

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kjijki qq

)bg,r,(3,2,1 )sd,u,(3,2,1i

udssbddsu

rgb

brg

gbr

er

er

er

i

i

i

i

)(00

0)(0

0 0)(

1

1

1

Integer

quantized

superfluid

vortex

Color superconductor

Iida & Baym, Forbes & Zhitnitsky(‘02)

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kjijki qq

)bg,r,(3,2,1 )sd,u,(3,2,1i

udssbddsu

rgb

brg

gbr

r

r

er i

i

)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

1/3 quantized

vortex

Color superconductor

Balachandran, Digal & Matsuura (BDM) (‘05)

Nakano, MN & Matsuura (‘07), Eto & MN (‘09)

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)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

r

r

er i

i

1/3 quantized vortex

Eto & MN (‘09)

10

Profiles

Gauge field

,

,2

01

01

G

F trace

traceless

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)(00

0)(0

00)(

100

010

002

3exp

3exp

0

0

1

r

r

rii

1/3 quantized

SU(3) color

color flux tube

)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

r

r

er i

i

1/3 quantized vortex

Superfluid vortex

Non-Abelian vortex

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0)(0

00)(

100

020

001

3exp

3exp

0

1

0

r

r

rii

1/3 quantized

SU(3) color

)(00

0)(0

0 0)(

0

1

0

r

er

ri

i

1/3 quantized vortex

color flux tube

Superfluid vortex

Non-Abelian vortex

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)(00

0)(0

00)(

200

010

001

3exp

3exp

1

0

0

r

r

rii

1/3 quantized

SU(3) color

i

i

er

r

r

)(00

0)(0

0 0)(

1

0

1

1/3 quantized vortex

color flux tube

Superfluid vortex

Non-Abelian vortex

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)(00

0)(0

00)(

200

010

001

3exp

3exp

1

0

0

r

r

rii

1/3 quantized

SU(3) color

i

i

er

r

r

)(00

0)(0

0 0)(

1

0

1

1/3 quantized vortex

color flux tube

Superfluid vortex

Non-Abelian vortex

Comment

Non-Abelian vortices

were discovered earlier

in the context of

Supersymmetry and

String theory (‘03)

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ier

r

r

)(00

0)(0

0 0)(

1

0

1

)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

r

r

er i

)(00

0)(0

0 0)(

0

1

0

r

er

ri

Color

Fluxes

i

i

i

er

er

er

)(00

0)(0

0 0)(

1

1

1

Non-Abelian vortices

Abelian vortex

Which are

energetically

favored?

No flux

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9

1E

ier

r

r

)(00

0)(0

0 0)(

1

0

1

)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

r

r

er i

)(00

0)(0

0 0)(

0

1

0

r

er

ri

Color

Fluxes

i

i

i

er

er

er

)(00

0)(0

0 0)(

1

1

1

Non-Abelian vortices

Abelian vortex

No flux

Split

E

E

E

=

=

Nakano, MN & Matsuura (‘07)

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Abrikosov vortex lattice

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Colorful vortex lattice

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Colorful vortex lattice

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“カラフル 水玉”

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)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

r

r

er i

i

FC)3( SUH

FC)]1()2([

USUK

@ vortex core

Nambu-Goldstone modes localized around the vortex

2FC

)1()2(

)3(P

USU

SU

K

HC

= Gapless modes propagating along the vortex line

“ground state” fluctuations

Eto,Nakano&MN(’09)

1+1 dim effective theory

Continuous family

of solutions exists

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What we have found so far

3.Interaction with quasi-particles (U(1)B phonon, gluons) Hirono,Kanazawa&MN (‘11)

4.Quark bound states Yasui,Itakuta&MN (’10)

Index theorem Fujiwara,Fukui,MN&Yasui (’11)

Non-Abelian statistics Yasui,Itakuta&MN(’11), Hirono,Yasui,Itakura&MN(‘12)

1.Interaction between vortices Nakano,MN&Matsuua (‘07)

2.Inclusion of strange quark mass decay into one kind

Eto,MN&Yamamoto(‘09)

5.Quantum mechanically induced potential

monopole-anti-monopole confined by vortex

quark-hadron duality

Eto,MN&Yamamoto, Shifman&Yung (‘11)

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Stable

E&M induced potential

U(1)EM flux

Electric & Magnetic U(1)EM interaction

Vinci,Cipriani &MN

arXiv:1206.3535

In the ground state,

photon-gluon mixing

occurs:

massive

massless

Meta-

stable

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U(1)EM flux However, this potential is washed out

by strange quark mass.

“Spontaneous magnetization”

However, very small~O(1)G, which cannot be used for NS

Vinci,Cipriani &MN

arXiv:1206.3535

Electric & Magnetic U(1)EM interaction

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Other interesting phenomena

1. Colored Monopoles at Boojums Cipriani,Vinci & MN,

arXiv:1208.5704

2. Compact Stars as Cosmic Polarizers Hirono &MN,

Phys.Rev.Lett.109:062501,2012

[arXiv:1203.5059]

Electric & Magnetic U(1)EM interaction

Next talk

by Hirono

Here, I’ll

explain

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What is Boojum?

Boojum trees in Arizona

Boojum

“The Hunting

Of Snark”

Lewis Carroll A particularly dangerous

kind of Snark

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Boojums on the container wall

in superfluid 3He-A

Boojum in

liquid crystal

Boojums in 3He A-B phase

boundary

Boojum in two component BECs

Kasamatsu-Takeuchi-

MN-Tsubota, JHEP1011:068,2010

[arXiv:1002.4265]

What is Boojum? In physics, named by

D.Mermin (1976)

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Neutron boojum

= Colorful boojum

Proton boojum

Cipriani,Vinci & MN, arXiv:1208.5704

Boojums at interface of nuclear matter/quark matter

Dirac monopole

Confined color monopoles

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Neutron boojum

= Colorful boojum

Quark

matter

Nuclear

matter

Cipriani,Vinci & MN, arXiv:1208.5704

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If quark matter (CFL phase) is realized in neutron star

core, non-Abelian vortices (color flux tubes) must be

created and constitute a colorful lattice.

Discussion What is an observational signal?

Confirm/deny quark matter.

Questions, discussions, or seminar: [email protected]

Conclusion

1.The existence of vortex lattice implies:

* Lattice oscillation: Tkachenko, Keivin modes

* Transportation of particles, anisotropic neutrino emission?

* EOS more stiff (?): anisotropic pressure?

2. Its rigid rotation yields gravitational wave radiation(?)

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Landau-Ginzburg model from QCD Iida&Baym(‘01)

Giannakis&Ren(‘02)

Iida,Matsuura,

Tachibana&Hatsuda(‘04)

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2FC

)1()2(

)3(P

USU

SU

K

HC

Effective action on a vortex

Nambu-Goldstone modes localized around the vortex

= Gapless modes propagating along the vortex line

Eto,Nakano&MN(’09)

1+1 dim. world-sheet theory

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Gluon mass

Vortex Tension

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Decay probability of metastable vortices

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)(00

0)(0

0 0)(

0

0

1

r

r

er i

i

Fermions trapped inside a vortex core

FC)3( SUH

FC)]1()2([

USUK

@ vortex core

Triplet Majorana fermion

protected by SO(3)

Yasui-Itakura-MN,

Phys.Rev.D81,105003(2010)

[arXiv:1001.3730]

bbb

ggg

rrr

sdu

sdu

sdu

q

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Index Theorem T.Fujiwara, T.Fukui, MN, S.Yasui,

PRD84,076002 (2011) [arXiv:1105.2115]

q

Q

Q

bbb

ggg

rrr

sdu

sdu

sdu

q

triplet

doublet

singlet

Majorana

zero modes

q

Q

2Q

Class D topological superconductor

triplet

doublet

singlet

1

0

0

Q=0

q=1

index

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Ivanov’s matrices

NEW

Exchange statistics of NA Majorana fermion

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(n=4,Type A3)

N-simplex and Coxeter group are hidden in the Hilbert space !!

Coxeter group

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Abrikosov vortex lattice