Questão QCD - QCD matter

A matéria de quark ou matéria QCD ( cromodinâmica quântica ) refere-se a qualquer uma de uma série de fases hipotéticas da matéria cujos graus de liberdade incluem quarks e glúons , dos quais o exemplo proeminente é o plasma de quark- gluons . Várias séries de conferências em 2019, 2020 e 2021 são dedicadas a este tópico.

Quarks são liberados em matéria quark em temperaturas e / ou densidades extremamente altas, e alguns deles ainda são apenas teóricos, pois requerem condições tão extremas que não podem ser produzidos em qualquer laboratório, especialmente em condições de equilíbrio. Sob essas condições extremas, a estrutura familiar da matéria , onde os constituintes básicos são núcleos (consistindo de núcleos que são estados ligados de quarks) e elétrons, é interrompida. Em matéria de quark, é mais apropriado tratar os próprios quarks como os graus básicos de liberdade.

No modelo padrão da física de partículas, a força forte é descrita pela teoria de QCD . A temperaturas ou densidades normais esta força apenas limita as quark em partículas compósitas ( hadríons ) de tamanho de cerca de 10 -15  m = 1  femtometer = 1 fm (correspondente à escala de energia QCD Λ QCD  ≈ 200  MeV ) e os seus efeitos não são perceptíveis a distâncias mais longas.

No entanto, quando a temperatura atinge a escala de energia QCD ( T da ordem de 10 12  kelvins ) ou a densidade aumenta até o ponto em que a separação inter-quark média é inferior a 1 fm ( potencial químico do quark μ em torno de 400 MeV), os hadrons são fundidos em seus quarks constituintes, e a forte interação se torna a característica dominante da física. Essas fases são chamadas de matéria quark ou matéria QCD.

A intensidade da força da cor torna as propriedades da matéria quark diferentes do gás ou plasma, levando a um estado da matéria que lembra mais um líquido. Em altas densidades, a matéria quark é um líquido de Fermi , mas prevê-se que exiba supercondutividade de cor em altas densidades e temperaturas abaixo de 10 12 K.

Problema não resolvido na física :

QCD no regime não perturbativo : matéria quark . As equações de QCD prevêem que um mar de quarks e glúons deve se formar em alta temperatura e densidade. Quais são as propriedades desta fase da matéria ?

Ocorrência

Ocorrência natural

  • De acordo com a teoria do Big Bang , no início do universo, em altas temperaturas, quando o universo tinha apenas algumas dezenas de microssegundos de idade, a fase da matéria assumia a forma de uma fase quente de matéria quark chamada plasma quark-gluon (QGP).
  • Estrelas compactas ( estrelas de nêutrons ). Uma estrela de nêutrons é muito mais fria do que 10 12 K, mas o colapso gravitacional a comprimiu a densidades tão altas que é razoável supor que matéria quark possa existir no núcleo. Estrelas compactas compostas principalmente ou inteiramente de matéria quark são chamadas estrelas de quark ou estrelas estranhas .
  • A matéria QCD pode existir dentro do colapsar de uma explosão de raios gama , onde temperaturas de até 6,7 x 10 13 K podem ser geradas.

Até o momento, nenhuma estrela com as propriedades esperadas desses objetos foi observada, embora algumas evidências tenham sido fornecidas para a matéria quark nos núcleos de grandes estrelas de nêutrons.

  • Strangelets . Estes são teoricamente postulados (mas ainda não observados) pedaços de matéria estranha compreendendo quantidades quase iguais de quarks up, down e estranhos. Supõe-se que os strangelets estão presentes no fluxo galáctico de partículas de alta energia e, portanto, deveriam ser teoricamente detectáveis ​​em raios cósmicos aqui na Terra, mas nenhum strangelet foi detectado com certeza.
  • Impactos de raios cósmicos . Os raios cósmicos compreendem muitas partículas diferentes, incluindo núcleos atômicos altamente acelerados, particularmente o de ferro .

Experimentos de laboratório sugerem que a interação inevitável com núcleos de gases nobres pesados ​​na alta atmosfera levaria à formação de plasma quark-gluon.

Experimentos de laboratório

Trajetórias de detritos de partículas de uma das primeiras colisões de íons de chumbo com o LHC, conforme registrado pelo detector ALICE . O aparecimento extremamente breve da matéria quark no ponto de colisão é inferido das estatísticas das trajetórias.

Mesmo que o plasma quark-gluon só possa ocorrer sob condições bastante extremas de temperatura e / ou pressão, ele está sendo ativamente estudado em colisores de partículas , como o Large Hadron Collider LHC no CERN e o Relativistic Heavy Ion Collider RHIC no Brookhaven National Laboratory .

Nessas colisões, o plasma ocorre apenas por um período muito curto antes de se desintegrar espontaneamente. As características físicas do plasma são estudadas detectando os detritos que emanam da região de colisão com detectores de partículas grandes

Colisões de íons pesados ​​com energias muito altas podem produzir pequenas regiões de vida curta do espaço, cuja densidade de energia é comparável à do universo de 20 microssegundos . Isso foi conseguido colidindo núcleos pesados, como núcleos de chumbo, em altas velocidades, e uma afirmação pela primeira vez de formação de plasma quark-gluon veio do acelerador SPS no CERN em fevereiro de 2000.

Este trabalho foi continuado em aceleradores mais poderosos, como o RHIC nos Estados Unidos, e a partir de 2010 no LHC europeu no CERN localizado na área de fronteira da Suíça e França. Há boas evidências de que o plasma quark-gluon também foi produzido no RHIC.

Termodinâmica

O contexto para a compreensão da termodinâmica da matéria quark é o modelo padrão da física de partículas, que contém seis sabores diferentes de quarks, bem como léptons como elétrons e neutrinos . Eles interagem por meio da interação forte , eletromagnetismo , e também da interação fraca, que permite que um sabor de quark se transforme em outro. Interações eletromagnéticas ocorrem entre partículas que carregam carga elétrica; interações fortes ocorrem entre partículas que carregam carga de cor .

O tratamento termodinâmico correto da matéria quark depende do contexto físico. Para grandes quantidades que existem por longos períodos de tempo (o "limite termodinâmico"), devemos levar em consideração o fato de que as únicas cargas conservadas no modelo padrão são o número do quark (equivalente ao número do bárion ), a carga elétrica, a cor oito encargos e número lepton. Cada um deles pode ter um potencial químico associado. No entanto, grandes volumes de matéria devem ser eletricamente neutros em cores, o que determina os potenciais químicos de carga elétrica e colorida. Isso deixa um espaço de fase tridimensional , parametrizado pelo potencial químico do quark, potencial químico do leptão e temperatura.

Em estrelas compactas, a matéria quark ocuparia quilômetros cúbicos e existiria por milhões de anos, então o limite termodinâmico é apropriado. No entanto, os neutrinos escapam, violando o número de leptões, de modo que o espaço de fase da matéria quark em estrelas compactas tem apenas duas dimensões, temperatura ( T ) e potencial químico do número quark μ. Um strangelet não está no limite termodinâmico de grande volume, por isso é como um núcleo exótico: pode carregar carga elétrica.

Uma colisão de íons pesados ​​não está no limite termodinâmico de grandes volumes nem em tempos longos. Deixando de lado as questões de se está suficientemente equilibrado para que a termodinâmica seja aplicável, certamente não há tempo suficiente para que ocorram interações fracas, então o sabor é conservado e há potenciais químicos independentes para todos os seis sabores de quark. As condições iniciais (o parâmetro de impacto da colisão, o número de quarks up e down nos núcleos em colisão e o fato de eles não conterem quarks de outros sabores) determinam os potenciais químicos. (Referência para esta seção :).

Diagrama de fase

Forma conjecturada do diagrama de fase da matéria QCD, com temperatura no eixo vertical e potencial químico quark no eixo horizontal, ambos em megelétron volts .

O diagrama de fase da matéria quark não é bem conhecido, tanto experimentalmente quanto teoricamente. Uma forma comumente conjecturada do diagrama de fase é mostrada na figura à direita. É aplicável à matéria em uma estrela compacta, onde os únicos potenciais termodinâmicos relevantes são o potencial químico do quark μ e a temperatura T.

Para orientação, também mostra os valores típicos de μ e T em colisões de íons pesados ​​e no universo inicial. Para leitores que não estão familiarizados com o conceito de potencial químico, é útil pensar em µ como uma medida do desequilíbrio entre quarks e antiquarks no sistema. Um μ mais alto significa um viés mais forte favorecendo os quarks em relação aos antiquarks. Em baixas temperaturas, não há antiquarks e, portanto, μ mais alto geralmente significa uma densidade mais alta de quarks.

A matéria atômica comum como a conhecemos é realmente uma fase mista, gotículas de matéria nuclear (núcleos) rodeadas por vácuo, que existe na fronteira de fase de baixa temperatura entre o vácuo e a matéria nuclear, em μ = 310 MeV e T próximo de zero. Se aumentarmos a densidade do quark (ou seja, aumentar μ) mantendo a temperatura baixa, passamos para uma fase de mais e mais matéria nuclear comprimida. Seguir esse caminho corresponde a cavar cada vez mais profundamente em uma estrela de nêutrons .

Eventualmente, em um valor crítico desconhecido de µ, há uma transição para a matéria quark. Em densidades ultra-altas, esperamos encontrar a fase color-flavour-locked (CFL) da matéria quark supercondutora de cor . Em densidades intermediárias, esperamos algumas outras fases (rotuladas como "líquido de quark não CFL" na figura), cuja natureza é atualmente desconhecida. Eles podem ser outras formas de matéria quark supercondutora de cor ou algo diferente.

Agora, imagine começar no canto inferior esquerdo do diagrama de fase, no vácuo onde μ =  T  = 0. Se aquecermos o sistema sem introduzir qualquer preferência por quarks em vez de antiquarks, isso corresponde a mover-se verticalmente para cima ao longo do eixo T. No início, os quarks ainda estão confinados e criamos um gás de hádrons ( píons , principalmente). Então, em torno de T  = 150 MeV, há um cruzamento para o plasma quark gluon: flutuações térmicas quebram os píons, e encontramos um gás de quarks, antiquarks e glúons, bem como partículas mais leves como fótons, elétrons, pósitrons, etc. Seguir esse caminho corresponde a viajar muito para trás no tempo (por assim dizer), ao estado do universo logo após o big bang (onde havia uma preferência muito pequena por quarks em vez de antiquarks).

A linha que sobe da transição de matéria nuclear / quark e depois se curva para trás em direção ao eixo T , com sua extremidade marcada por uma estrela, é a fronteira conjecturada entre as fases confinadas e não confinadas. Até recentemente, também se acreditava ser uma fronteira entre as fases onde a simetria quiral é quebrada (baixa temperatura e densidade) e as fases onde ela não é quebrada (alta temperatura e densidade). Sabe-se agora que a fase CFL exibe quebra de simetria quiral, e outras fases de matéria quark também podem quebrar a simetria quiral, então não está claro se esta é realmente uma linha de transição quiral. A linha termina no " ponto crítico quiral ", marcado por uma estrela nesta figura, que é uma temperatura e densidade especiais nas quais fenômenos físicos marcantes, análogos à opalescência crítica , são esperados. (Referência para esta seção :,).

Para uma descrição completa do diagrama de fase, é necessário que se tenha um entendimento completo da matéria hadrônica densa e de forte interação e da matéria quark de forte interação de alguma teoria subjacente, por exemplo, cromodinâmica quântica (QCD). No entanto, como tal descrição requer o entendimento adequado da QCD em seu regime não perturbativo, que ainda está longe de ser totalmente compreendido, qualquer avanço teórico permanece muito desafiador.

Desafios teóricos: técnicas de cálculo

A estrutura de fase da matéria quark permanece principalmente conjectural porque é difícil realizar cálculos prevendo as propriedades da matéria quark. A razão é que QCD, a teoria que descreve a interação dominante entre quarks, é fortemente acoplada nas densidades e temperaturas de maior interesse físico e, portanto, é muito difícil obter quaisquer previsões a partir dela. Aqui estão breves descrições de algumas das abordagens padrão.

Teoria de calibre reticulado

A única ferramenta de cálculo de primeiros princípios atualmente disponível é a rede QCD , ou seja, cálculos de computador de força bruta. Por causa de um obstáculo técnico conhecido como problema de sinal de férmion , este método só pode ser usado em baixa densidade e alta temperatura (μ <  T ), e prevê que o cruzamento para o plasma quark-gluon ocorrerá em torno de T  = 150 MeV. , não pode ser usado para investigar a interessante estrutura de fase supercondutora de cor em alta densidade e baixa temperatura.

Teoria de acoplamento fraco

Como QCD é assintoticamente livre , torna-se fracamente acoplado em densidades irrealisticamente altas, e métodos diagramáticos podem ser usados. Tais métodos mostram que a fase CFL ocorre em densidade muito alta. Em altas temperaturas, entretanto, os métodos diagramáticos ainda não estão sob controle total.

Modelos

Para obter uma ideia aproximada de quais fases podem ocorrer, pode-se usar um modelo que possui algumas das mesmas propriedades do QCD, mas é mais fácil de manipular. Muitos físicos usam modelos Nambu-Jona-Lasinio , que não contêm glúons, e substituem a interação forte por uma interação de quatro férmions . Os métodos de campo médio são comumente usados ​​para analisar as fases. Outra abordagem é o modelo bag , no qual os efeitos do confinamento são simulados por uma densidade de energia aditiva que penaliza a matéria quark não confinada.

Teorias eficazes

Muitos físicos simplesmente desistem de uma abordagem microscópica e fazem suposições informadas sobre as fases esperadas (talvez com base nos resultados do modelo NJL). Para cada fase, eles escrevem uma teoria eficaz para as excitações de baixa energia, em termos de um pequeno número de parâmetros, e a usam para fazer previsões que podem permitir que esses parâmetros sejam fixados por observações experimentais.

Outras abordagens

Existem outros métodos que às vezes são usados ​​para lançar luz sobre QCD, mas por várias razões ainda não produziram resultados úteis no estudo da matéria quark.

Expansão 1 / N

Tratar o número de cores N , o que é, na verdade, três, como um grande número, e expandir em potências de 1 / N . Acontece que em alta densidade as correções de ordem superior são grandes e a expansão dá resultados enganosos.

Supersimetria

Adicionar quarks escalares (quadrados) e gluons fermiônicos (gluinos) à teoria a torna mais tratável, mas a termodinâmica da matéria quark depende crucialmente do fato de que apenas férmions podem carregar o número de quark e do número de graus de liberdade em geral.

Desafios experimentais

Experimentalmente, é difícil mapear o diagrama de fase da matéria quark porque tem sido bastante difícil aprender como sintonizar temperaturas e densidade altas o suficiente no experimento de laboratório usando colisões de íons pesados ​​relativísticos como ferramentas experimentais. No entanto, essas colisões fornecerão informações sobre o cruzamento de matéria hadrônica para QGP. Foi sugerido que as observações de estrelas compactas também podem restringir as informações sobre a região de alta densidade e baixa temperatura. Modelos de resfriamento, desaceleração e precessão dessas estrelas oferecem informações sobre as propriedades relevantes de seu interior. À medida que as observações se tornam mais precisas, os físicos esperam aprender mais.

Um dos temas naturais para pesquisas futuras é a busca pela localização exata do ponto crítico quiral. Alguns cálculos ambiciosos de QCD de rede podem ter encontrado evidências para isso, e cálculos futuros irão esclarecer a situação. As colisões de íons pesados ​​podem ser capazes de medir sua posição experimentalmente, mas isso exigirá a varredura em uma faixa de valores de μ e T.

Provas

Em 2020, foram fornecidas evidências de que os núcleos de estrelas de nêutrons com massa ~ 2 M eram provavelmente compostos de matéria quark. O resultado foi baseado na deformabilidade de maré de estrela de nêutron durante uma fusão de estrela de nêutron medida por observatórios de ondas gravitacionais , levando a uma estimativa do raio da estrela, combinado com cálculos da equação de estado relacionando a pressão e densidade de energia do núcleo da estrela. A evidência foi fortemente sugestiva, mas não provou conclusivamente a existência de matéria quark.

Veja também

Fontes e leituras adicionais

  • Aronson, S. e Ludlam, T .: "Hunting the quark gluon plasma" , US Dept. of Energy (2005)
  • Letessier, Jean: Hadrons and quark-gluon plasma , monografias de Cambridge sobre física de partículas, física nuclear e cosmologia (Vol. 18), Cambridge University Press (2002)
  • S. Hands (2001). "O diagrama de fase do QCD". Física Contemporânea . 42 (4): 209–225. arXiv : física / 0105022 . Bibcode : 2001ConPh..42..209H . doi : 10.1080 / 00107510110063843 . S2CID  16835076 .
  • K. Rajagopal (2001). "Liberte os quarks" (PDF) . Linha de feixe . 32 (2): 9–15.

Referências

links externos