La superconductividad de color es un fenómeno en el que la materia transporta carga de color sin pérdida, de forma análoga a la forma en que los superconductores convencionales pueden transportar carga eléctrica sin pérdida. Se predice que la superconductividad de color se produce en la materia de quarks si la densidad de bariones es suficientemente alta (es decir, muy por encima de la densidad y las energías de un núcleo atómico) y la temperatura no es demasiado alta (muy por debajo de 10 12 kelvin). Las fases superconductoras de color deben contrastarse con la fase normal de la materia de quarks, que es simplemente un líquido de Fermi de quarks que interactúa débilmente.
En términos teóricos, una fase superconductora de color es un estado en el que los quarks cercanos a la superficie de Fermi se correlacionan en pares de Cooper , que se condensan. En términos fenomenológicos, una fase superconductora de color rompe algunas de las simetrías de la teoría subyacente y tiene un espectro de excitaciones y propiedades de transporte muy diferentes a las de la fase normal.
Es bien sabido que a baja temperatura muchos metales se convierten en superconductores . Un metal puede ser visto en parte como un líquido de Fermi de electrones, y por debajo de una temperatura crítica, una interacción atractiva mediada por fonones entre los electrones cerca de la superficie de Fermi hace que se apareen y formen un condensado de pares de Cooper, que a través del mecanismo de Anderson-Higgs hace que el fotón sea masivo, lo que lleva a comportamientos característicos de un superconductor: conductividad infinita y exclusión de campos magnéticos ( efecto Meissner ). Los ingredientes cruciales para que esto ocurra son:
Estos ingredientes también están presentes en materia de quarks suficientemente densa, lo que lleva a los físicos a esperar que algo similar suceda en ese contexto:
El hecho de que un par de quarks de Cooper tenga una carga neta de color, así como una carga eléctrica neta, significa que algunos de los gluones (que median la interacción fuerte de la misma manera que los fotones median el electromagnetismo) se vuelven masivos en una fase con un condensado de pares de quarks de Cooper, por lo que a esa fase se la llama "superconductor de color". En realidad, en muchas fases superconductoras de color, el fotón en sí no se vuelve masivo, sino que se mezcla con uno de los gluones para producir un nuevo "fotón rotado" sin masa. Esto es un eco a escala de MeV de la mezcla de la hipercarga y los bosones W 3 que originalmente produjeron el fotón en la escala de TeV de ruptura de simetría electrodébil.
A diferencia de un superconductor eléctrico, la materia de quarks superconductores de color se presenta en muchas variedades, cada una de las cuales es una fase separada de la materia. Esto se debe a que los quarks, a diferencia de los electrones, se presentan en muchas especies. Hay tres colores diferentes (rojo, verde, azul) y en el núcleo de una estrella compacta esperamos tres sabores diferentes (arriba, abajo, extraño), lo que hace un total de nueve especies. Por lo tanto, al formar los pares de Cooper hay una matriz de 9x9 colores-sabores de posibles patrones de emparejamiento. Las diferencias entre estos patrones son muy significativas desde el punto de vista físico: diferentes patrones rompen diferentes simetrías de la teoría subyacente, lo que conduce a diferentes espectros de excitación y diferentes propiedades de transporte.
Es muy difícil predecir qué patrones de emparejamiento serán favorecidos en la naturaleza. En principio, esta cuestión podría resolverse mediante un cálculo de QCD, ya que la QCD es la teoría que describe completamente la interacción fuerte. En el límite de densidad infinita, donde la interacción fuerte se vuelve débil debido a la libertad asintótica , se pueden realizar cálculos controlados, y se sabe que la fase favorecida en la materia de quarks de tres sabores es la fase bloqueada por color y sabor . Pero a las densidades que existen en la naturaleza, estos cálculos no son confiables, y la única alternativa conocida es el enfoque computacional de fuerza bruta de la QCD de red , que desafortunadamente tiene una dificultad técnica (el " problema del signo ") que lo vuelve inútil para los cálculos a alta densidad de quarks y baja temperatura.
Actualmente los físicos están siguiendo las siguientes líneas de investigación sobre la superconductividad del color:
El único lugar conocido en el universo donde la densidad de bariones podría ser lo suficientemente alta como para producir materia de quarks y la temperatura lo suficientemente baja como para que se produzca superconductividad de color es el núcleo de una estrella compacta (a menudo llamada " estrella de neutrones ", un término que prejuzga la cuestión de su composición real). Hay muchas preguntas abiertas aquí:
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