高重子数密度下的物质性质是核物理学和天体物理学一个关键的未解问题。除了在渐近自由允许微扰计算的极高密度的情况下，提取致密物质的QCD预测非常困难。虽然可基于实验室原子核提取低密度物质的基态，但在核饱和密度（\rho_0=2.7×10^14g/cm^3）之上，由于费米动量高，已知的核多体有效理论遭遇高密外推的模型依赖，QCD的格点计算也受到符号问题的限制。 我们对高重子密度物质的唯一信息来自对中子星的研究，这些中子星的物质含量高达饱和密度的几倍。
广义相对论将致密物质的状态方程与中子星的半径和质量之间的关系联系起来。 旋转、磁场和有限温度仅对质量-半径关系有小幅修正。在中子星研究的引力波多信使年代，日益累积的观测对中子星的结构提出了越来越严格的限制，中子星的观测也越来越成为了解高重子数密度物质的物理性质的一个独特窗口。
表征致密物质的一种方法是通过声速，其定义是c_s/c=\sqrt{压强/能量密度}（c为光速）。我们知道，对于无质量（massless）超相对论（ultrarelativistic）粒子构成的气体，c_s=\sqrt{⅓}：因此值适用所有具有共形对称（conformal symmetry）的系统，一般也称共形极限；进一步计入粒子有的限质量和粒子间的（微扰）相互作用就会将声速降至低于\sqrt{⅓}：这就是QCD在渐近高密度（或温度）下允许微扰计算的情况。科学家们继而很自然地推测：中等密度（数倍核饱和密度）物质中的声速值将处于光速和共形极限这两个极限值之间，然而前人的理论计算显示致密物质中声速的密度依赖可能会因为发生相变产生特定的形状。
在本文中，我们系统研究了中子星、夸克星（quark star）、混合星（hybrid star; 即含自由夸克的中子星）中致密物质的声速和绝热指数（\Gamma）的性质。具体地，核物质的研究采用了相对论平均场模型（RMF）模型、夸克平均场（QMF）模型、Brueckner-Hartree-Fock（BHF）方法和变分法（variational），夸克物质的研究采用了MIT袋模型、微扰（perturbation）模型、价粒子（equivparticle）模型和准粒子（quasiparticle）模型，计算也同时考虑了不同相变机制和不同强子-夸克相变界面的影响。主要发现，除了夸克退禁闭相变之外，还可以通过非微扰QCD相互作用来实现前人提出的声速的特征行为，即声速和绝热指数这些物态的微观参数并不能有效地表征致密物质在致密星相关中等密度下的物态组成，相关结果可通过未来对类脉冲星类天体的高精度测量（比如半径）进行区分。
相关研究工作已被Chinese Physics C（Editors’Suggestion）接受发表（论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1674-1137/abea0d），第一作者为扬州大学夏铖君教授，通讯作者为李昂教授，合作者为李政道研究所朱镇宇博士和中科院新疆天文台周霞研究员。得到科技部SKA专项、 国家自然科学基金、中国载人航天工程巡天空间望远镜专项、中国科学院"西部之光"和天山青年计划及厦门市青年创新基金项目的支持。这项工作的部分计算得到了中国科学院理论物理研究所高性能计算集群系统（HPC Cluster of SKLTP/ITP-CAS）和中国科学院计算机网络信息中心超级计算中心（Supercomputing Center, CNIC, of the CAS）的支持。
图：致密物质的绝热指数（上图）和声速（下图）的理论计算结果。