奇异物质与奇异星

本书从粒子物理标准模型出发，旨在简要介绍各种奇异物质提出的基本背景，在此基础之上探讨奇异星等致密星的结构和性质，最终讨论如何利用各种天文观测来寻找奇异星存在的证据。
本书相关内容属于粒子天体物理范畴，主要面向高年级本科生、研究生及相关的研究人员，以期提供必要的入门简介。

本书内容包括： 绪论，粒子物理标准模型，致密星的形成与表现，奇异物质和奇异星，并结合未来FAST等大科学工程的观测，探讨有关证明或排除奇异星存在的可能性。本书从粒子物理标准模型出发，旨在简要介绍各种奇异物质提出的基本背景，在此基础之上探讨奇异星等致密星的结构和性质，最终讨论如何利用各种天文观测来寻找奇异星存在的证据。
本书相关内容属于粒子天体物理范畴，主要面向高年级本科生、研究生及相关的研究人员，以期提供必要的入门简介。

夏铖君
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夏铖君 ，浙江杭州人，2014年获中国科学院大学博士学位。2014年至2016年在中国科学院理论物理研究所从事博士后研究，2016年至2022年在浙大宁波理工学院工作，2017年至今担任日本理化学研究所奇异核物理实验室客座研究员，2020年至2021年在日本原子能机构访问，现为扬州大学教授。主要从事夸克物质、重子物质及夸克-强子混合物质的研究，并应用各类理论及模型工具对致密星、夸克物质团、超核等奇特物质进行了大量研究，在国内外本领域高水平期刊上发表论文近百篇

高勇
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高勇，甘肃玉门人，北京大学理学博士，现于德国马克斯普朗克引力物理研究所从事中子星、引力物理与数值相对论等方面的研究，致力于通过多信使天文观测来澄清致密物态的本质。已发表相关学术论文20余篇。

徐仁新
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徐仁新，江苏高邮人，1997年获北京大学获理学博士学位，留校工作任讲师、副教授、教授。曾获国家杰出青年科学基金资助，并入选“新世纪优秀人才支持计划”。从事脉冲星等天体物理学研究，关注致密物质物态及其若干天体物理表现、宇宙早期强子化相变等科学问题。提出脉冲星类天体本质上是奇子星，并试图通过多信使（包括电磁波、引力波、中微子及宇宙线等）观测发现奇子星存在的观测证据。研究工作围绕FAST、HXMT、SKA等大科学工程展开，发表相关学术论文三百余篇。

第一章绪论 
1.1 微观与量子：从原子到原子核         
1.2 宇观与引力：从白矮星到中子星            
1.3 夸克与轻子：奇异星？                 
1.4 多信使天文学时代的期待  
            
第二章粒子物理标准模型简介                   
   2.1 粒子的分类
2.2 规范变换及相互作用
2.3 标准模型简介                
2.4 超出标准模型   
            
第三章致密星的形成与表现
3.1 致密星的形成
3.2 致密星的观测表现               

第四章奇异物质
4.1 强相互作用和QCD 相图 
4.2 重子及多重子态                
4.3 重子物质
4.4 夸克物质
 4.5 奇子物质
 
第五章作为相对论天体的奇异星
5.1 相对论与流体动力学
 
5.2 球对称静态奇异星结构
5.3 转动奇异星结构
 
5.4 双奇异星并合与数值相对论

 第六章 奇异星的观测认证与展望 

6.1 动力学检验：质量与潮汐形变量 
   6.2 数值相对论效应与伽马射线暴
6.3 脉冲星磁层与射电相干辐射
 6.4 快速射电暴
 6.5 双星吸积与暴发过程 
6.6 展望观测检验
参考文献

前言
十九世纪一位雕刻家、浪漫主义诗人和梦想家曾经文字描述过这样一个现象1：“What is now proved was once only imagined”（如今习以为常的东西曾经只是个设想）。相信历史上众具有多独立精神的思想者都抱有同感。本书所关注的奇异数(strangeness) 即生动地演绎了这类哲理：它于诞生之初被投射异样的眼神，而在成功地建立了粒子物理标准模型的今天就再正常不过了。
奇异夸克(s) 因其质量较轻2，在组成原子核的核子内大量存在，只是那里的s 和反奇异夸克(ˉs) 数目相等罢了。然而，在考虑到大质量恒星演化晚期不得不引力塌缩而形成密度跟原子核相当的“巨核” 时，近乎等量的u、d 和s 组成的系统也能呈现电子数目相对较低的状态。这一定程度上符合1932 年朗道思辨存在中子星的逻辑。我们将这种轻味夸克对称的物质称为奇异物质：可能为奇异夸克物质（基本单元为夸克），也可能是奇子物质（基本单元为奇子，一种类似核子但奇异数非零的束缚态）。奇异物质为主组成的星体，即为奇异星。观测发现的脉冲星类致密天体到底是传统的中子星还是奇异星？这是当今学术界关注的焦点之一，也构成本书的主体内容。
众所周知，极端条件下强相互作用物质的性质是现代物理学研究的重要课题之一。特别地，低温高密物质的属性涉及早期宇宙强子化、致密星结构及相关暴发事件（如伽玛暴和快速射电暴），甚至极高能宇宙线等丰富的天体物理现象。在极端密度下，强相互作用物质可能会发生多种相变过程，生成各种新型物质（包括重子物质、夸克物质、奇子物质等）。寻找这些物质并研究其奇特的性质，引起了人们广泛的兴趣，是值得广大科研人员努力深耕的一个方向。
由于无法直接基于量子色动力学（QCD）明确地得到关于这类新型物质的计算结果，目前人们通常需采用各种有效模型进行理论研究。这导致较大的不确定性。为摆脱这一窘境，当前行之有效的方案是结合各种地面实验及天文观测数据来约束模型假设及参数范围，并在此基础之上探索致密物质的结构和本质。一方面，如HIAF、NICA、FAIR 和J‐PARC等地面实验将通过重离子碰撞直接生成致密物质。另一方面，作为大质量恒星引力塌缩的产物，致密星内部物质被压缩至极高的密度，成为致密物质的天然实验室。随着国内外大批科学装置投入到致密星的研究，如引力波天文台（LIGO、Virgo、KAGRA 等）、500 米口径球面射电望远镜（FAST）、平方公里阵列射电望远镜（SKA）、中子星内部成分探测器（NICER）、“慧眼”硬X 射线调制望远镜（HXMT）、引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星（GECAM）、高海拔宇宙线观测站（LHAASO）以及中微子探测器（JUNO、Super‐K、KamLAND、Borexino、ICARUS、LVD、SNO）等，我们正迎来了致密星研究的黄金时期，将不断积累大量致密星结构及演化的观测数据。有效整合这些数据，提取致密物质性质的关键信息，理解致密星内部结构及演化过程，无疑是多信使天文学时代核心使命之一。
本书从粒子物理标准模型出发，旨在简要介绍各种奇异物质提出的基本背景，在此基础之上探讨奇异星等致密星的结构和性质，最终讨论如何利用各种天文观测来寻找奇异星存在的证据。本书相关内容属于粒子天体物理范畴，主要面向高年级本科生、研究生及相关的研究人员，以期提供必要的入门简介。由于时间仓促，撰写过程中难免有遗漏、疏忽和不当之处，还望读者指正并及时反馈。书中内容体现了作者的偏好，难免挂一漏万；相信读者会独立思考，汲取能丰富自己的营养，从而领略探究奇异物质之旅的道道风景。