Supercondutividade de cor - Color superconductivity

A supercondutividade de cor é um fenômeno previsto para ocorrer na matéria quark se a densidade bariônica for suficientemente alta (bem acima da densidade nuclear) e a temperatura não for muito alta (bem abaixo de 10 12 kelvins). As fases supercondutoras coloridas devem ser contrastadas com a fase normal da matéria quark, que é apenas um líquido Fermi de quarks de interação fraca .

Em termos teóricos, uma fase supercondutora de cor é um estado no qual os quarks próximos à superfície de Fermi se correlacionam em pares de Cooper , que se condensam. Em termos fenomenológicos, uma fase supercondutora de cor quebra algumas das simetrias da teoria subjacente e tem um espectro muito diferente de excitações e propriedades de transporte muito diferentes da fase normal.

Descrição

Analogia com metais supercondutores

É bem sabido que, a baixas temperaturas, muitos metais se tornam supercondutores . Um metal pode ser visto como um líquido Fermi de elétrons e, abaixo de uma temperatura crítica, uma interação atraente mediada por fônons entre os elétrons perto da superfície de Fermi os faz emparelhar e formar um condensado de pares de Cooper, que via Anderson-Higgs Esse mecanismo torna o fóton massivo, levando aos comportamentos característicos de um supercondutor: condutividade infinita e exclusão de campos magnéticos ( efeito Meissner ). Os ingredientes cruciais para que isso ocorra são:

  1. um líquido de fermions carregados.
  2. uma interação atraente entre os férmions
  3. temperatura baixa (abaixo da temperatura crítica)

Esses ingredientes também estão presentes em matéria de quark suficientemente densa, levando os físicos a esperar que algo semelhante aconteça nesse contexto:

  1. quarks carregam carga elétrica e carga colorida ;
  2. a forte interação entre dois quarks é extremamente atrativa;
  3. espera-se que a temperatura crítica seja dada pela escala QCD, que é da ordem de 100 MeV, ou 10 12 kelvins, a temperatura do universo alguns minutos após o Big Bang , então quark matéria que podemos observar atualmente em estrelas compactas ou outras configurações naturais estarão abaixo dessa temperatura.

O fato de que um par de quarks de Cooper carrega uma carga de cor líquida, bem como uma carga elétrica líquida, significa que alguns dos glúons (que medeiam a interação forte assim como os fótons mediam o eletromagnetismo) tornam-se massivos em uma fase com um condensado de quark Pares de Cooper, então essa fase é chamada de "supercondutor de cor". Na verdade, em muitas fases supercondutoras coloridas, o próprio fóton não se torna massivo, mas se mistura com um dos glúons para produzir um novo "fóton girado" sem massa. Este é um eco na escala MeV da mistura dos bósons hipercarga e W 3 que originalmente produziu o fóton na escala TeV de quebra de simetria eletrofraca.

Diversidade de fases supercondutoras de cores

Ao contrário de um supercondutor elétrico, a matéria quark supercondutora de cor vem em muitas variedades, cada uma das quais é uma fase separada da matéria. Isso ocorre porque os quarks, ao contrário dos elétrons, vêm em muitas espécies. Existem três cores diferentes (vermelho, verde, azul) e no núcleo de uma estrela compacta esperamos três sabores diferentes (para cima, para baixo, estranho), totalizando nove espécies. Assim, na formação dos pares Cooper, há uma matriz 9 × 9 cor-sabor de possíveis padrões de emparelhamento. As diferenças entre esses padrões são muito significativas fisicamente: diferentes padrões quebram diferentes simetrias da teoria subjacente, levando a diferentes espectros de excitação e diferentes propriedades de transporte.

É muito difícil prever quais padrões de emparelhamento serão favorecidos na natureza. Em princípio, esta questão poderia ser decidida por um cálculo QCD, uma vez que QCD é a teoria que descreve totalmente a interação forte. No limite da densidade infinita, onde a interação forte torna-se fraca devido à liberdade assintótica , cálculos controlados podem ser realizados, e sabe-se que a fase favorecida na matéria quark de três sabores é a fase de cor-sabor bloqueada . Mas nas densidades que existem na natureza, esses cálculos não são confiáveis, e a única alternativa conhecida é a abordagem computacional de força bruta da rede QCD , que infelizmente tem uma dificuldade técnica (o " problema de sinal ") que a torna inútil para cálculos em alta densidade de quark e baixa temperatura.

Os físicos estão atualmente seguindo as seguintes linhas de pesquisa sobre supercondutividade de cores:

  • Efetuando cálculos no limite de densidade infinita, para ter uma ideia do comportamento em uma das bordas do diagrama de fase.
  • Execução de cálculos da estrutura de fase até a densidade média usando um modelo altamente simplificado de QCD, o modelo Nambu-Jona-Lasinio (NJL), que não é uma aproximação controlada, mas espera-se que produza percepções semiquantitativas.
  • Escrever uma teoria efetiva para as excitações de uma determinada fase e usá-la para calcular as propriedades físicas dessa fase.
  • Realizar cálculos astrofísicos, usando modelos NJL ou teorias eficazes, para ver se há assinaturas observáveis ​​pelas quais se poderia confirmar ou descartar a presença de fases supercondutoras de cores específicas na natureza (ou seja, em estrelas compactas: consulte a próxima seção).

Possível ocorrência na natureza

O único lugar conhecido no universo onde a densidade bárion pode ser alta o suficiente para produzir matéria de quark, e a temperatura é baixa o suficiente para a supercondutividade de cor ocorrer, é o núcleo de uma estrela compacta (muitas vezes chamada de " estrela de nêutrons ", uma termo que prejudica a questão de sua composição real). Existem muitas questões em aberto aqui:

  • Não sabemos a densidade crítica na qual haveria uma transição de fase da matéria nuclear para alguma forma de matéria quark, então não sabemos se estrelas compactas têm núcleos de matéria quark ou não.
  • No outro extremo, é concebível que a matéria nuclear em massa seja realmente metaestável e decaia em matéria quark (a " hipótese de matéria estranha estável "). Nesse caso, estrelas compactas consistiriam completamente em matéria de quark até a superfície.
  • Assumindo que estrelas compactas contêm matéria quark, não sabemos se essa matéria quark está em uma fase supercondutora colorida ou não. Em densidade infinita espera-se supercondutividade de cor, e a natureza atrativa da interação quark-quark forte dominante leva a esperar que ela sobreviva até densidades mais baixas, mas pode haver uma transição para alguma fase fortemente acoplada (por exemplo, um Bose-Einstein condensado de di- ou hexaquarques espacialmente ligados ).

Veja também

Leitura adicional

Referências