La materia de quarks o materia QCD ( cromodinámica cuántica ) se refiere a cualquiera de una serie de fases hipotéticas de la materia cuyos grados de libertad incluyen quarks y gluones , de los cuales el ejemplo más destacado es el plasma de quarks y gluones . [1] Varias series de conferencias en 2019, 2020 y 2021 se dedicaron a este tema. [2] [3] [4]
Los quarks se liberan en materia de quarks a temperaturas y/o densidades extremadamente altas, y algunos de ellos son todavía sólo teóricos, ya que requieren condiciones tan extremas que no pueden producirse en ningún laboratorio, especialmente no en condiciones de equilibrio. En estas condiciones extremas, la estructura familiar de la materia , donde los constituyentes básicos son núcleos (que consisten en nucleones que son estados ligados de los quarks) y electrones, se altera. En la materia de quarks es más apropiado tratar a los quarks mismos como los grados básicos de libertad.
En el modelo estándar de física de partículas, la fuerza fuerte se describe mediante la teoría de QCD . A temperaturas o densidades ordinarias, esta fuerza simplemente confina los quarks en partículas compuestas ( hadrones ) de tamaño alrededor de 10 −15 m = 1 femtómetro = 1 fm (que corresponde a la escala de energía de QCD Λ QCD ≈ 200 MeV ) y sus efectos no son perceptibles a distancias mayores.
Sin embargo, cuando la temperatura alcanza la escala de energía de la QCD ( T del orden de 10 12 kelvin ) o la densidad aumenta hasta el punto en que la separación media entre quarks es inferior a 1 fm ( el potencial químico de los quarks μ ronda los 400 MeV), los hadrones se funden en sus quarks constituyentes y la interacción fuerte se convierte en la característica dominante de la física. Estas fases se denominan materia de quarks o materia de la QCD.
La intensidad de la fuerza del color hace que las propiedades de la materia de quarks sean diferentes a las del gas o el plasma, dando lugar a un estado de la materia que recuerda más a un líquido. A altas densidades, la materia de quarks es un líquido de Fermi , pero se predice que exhibirá superconductividad de color a altas densidades y temperaturas inferiores a 10 12 K.
Hasta el momento no se ha observado ninguna estrella con las propiedades esperadas de estos objetos, aunque se ha aportado cierta evidencia de materia de quarks en los núcleos de grandes estrellas de neutrones. [7]
Los experimentos de laboratorio sugieren que la interacción inevitable con núcleos pesados de gases nobles en la atmósfera superior conduciría a la formación de plasma de quarks y gluones.
Aunque el plasma de quarks y gluones solo puede producirse en condiciones bastante extremas de temperatura y/o presión, se está estudiando activamente en colisionadores de partículas , como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN y el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven .
En estas colisiones, el plasma sólo se produce durante un breve periodo de tiempo antes de desintegrarse espontáneamente. Las características físicas del plasma se estudian detectando los restos que emanan de la zona de colisión con detectores de partículas de gran tamaño [11] [12]
Las colisiones de iones pesados a energías muy altas pueden producir pequeñas regiones de espacio de corta duración cuya densidad energética es comparable a la del universo de 20 microsegundos de antigüedad . Esto se ha logrado mediante la colisión de núcleos pesados, como núcleos de plomo , a altas velocidades, y una primera afirmación de formación de plasma de quarks y gluones provino del acelerador SPS del CERN en febrero de 2000. [13]
Este trabajo ha continuado en aceleradores más potentes, como el RHIC en Estados Unidos y, a partir de 2010, en el LHC europeo del CERN, situado en la zona fronteriza entre Suiza y Francia. Hay pruebas fehacientes de que el plasma de quarks y gluones también se ha producido en el RHIC. [14]
El contexto para comprender la termodinámica de la materia de quarks es el modelo estándar de física de partículas, que contiene seis tipos diferentes de quarks, así como leptones como los electrones y los neutrinos . Estos interactúan a través de la interacción fuerte , el electromagnetismo , y también la interacción débil que permite que un tipo de quark se convierta en otro. Las interacciones electromagnéticas ocurren entre partículas que llevan carga eléctrica; las interacciones fuertes ocurren entre partículas que llevan carga de color .
El tratamiento termodinámico correcto de la materia de quarks depende del contexto físico. Para grandes cantidades que existen durante largos períodos de tiempo (el "límite termodinámico"), debemos tener en cuenta el hecho de que las únicas cargas conservadas en el modelo estándar son el número de quarks (equivalente al número bariónico ), la carga eléctrica, las ocho cargas de color y el número leptónico. Cada una de estas puede tener un potencial químico asociado. Sin embargo, grandes volúmenes de materia deben ser eléctricamente y cromáticamente neutros, lo que determina los potenciales químicos de carga eléctrica y de color. Esto deja un espacio de fases tridimensional , parametrizado por el potencial químico de quarks, el potencial químico leptónico y la temperatura.
En las estrellas compactas, la materia de quarks ocuparía kilómetros cúbicos y existiría durante millones de años, por lo que el límite termodinámico es apropiado. Sin embargo, los neutrinos escapan, violando el número leptónico, por lo que el espacio de fases para la materia de quarks en las estrellas compactas solo tiene dos dimensiones, temperatura ( T ) y potencial químico del número de quarks μ. Un strangelet no está en el límite termodinámico de gran volumen, por lo que es como un núcleo exótico: puede tener carga eléctrica.
Una colisión de iones pesados no se encuentra en el límite termodinámico de grandes volúmenes ni de tiempos largos. Dejando de lado las cuestiones de si está lo suficientemente equilibrada para que la termodinámica sea aplicable, ciertamente no hay tiempo suficiente para que se produzcan interacciones débiles, por lo que el sabor se conserva y existen potenciales químicos independientes para los seis sabores de quarks. Las condiciones iniciales (el parámetro de impacto de la colisión, el número de quarks up y down en los núcleos en colisión y el hecho de que no contienen quarks de otros sabores) determinan los potenciales químicos. (Referencia para esta sección: [15] [16] ).
El diagrama de fases de la materia de quarks no se conoce bien, ni experimental ni teóricamente. En la figura de la derecha se muestra una forma comúnmente conjeturada del diagrama de fases. [15] Es aplicable a la materia en una estrella compacta, donde los únicos potenciales termodinámicos relevantes son el potencial químico de quarks μ y la temperatura T.
Como guía, también se muestran los valores típicos de μ y T en colisiones de iones pesados y en el universo primitivo. Para los lectores que no están familiarizados con el concepto de potencial químico, es útil pensar en μ como una medida del desequilibrio entre quarks y antiquarks en el sistema. Un μ más alto significa un sesgo más fuerte que favorece a los quarks sobre los antiquarks. A bajas temperaturas no hay antiquarks y, por lo tanto, un μ más alto generalmente significa una mayor densidad de quarks.
La materia atómica ordinaria tal como la conocemos es en realidad una fase mixta, gotitas de materia nuclear (núcleos) rodeadas de vacío, que existe en el límite de fase de baja temperatura entre el vacío y la materia nuclear, en μ = 310 MeV y T cerca de cero. Si aumentamos la densidad de quarks (es decir, aumentamos μ) manteniendo la temperatura baja, pasamos a una fase de materia nuclear cada vez más comprimida. Seguir este camino corresponde a excavar cada vez más profundamente en una estrella de neutrones .
Finalmente, en un valor crítico desconocido de μ, se produce una transición a materia de quarks. A densidades ultraaltas esperamos encontrar la fase de materia de quarks superconductora de color con bloqueo de color (CFL) . A densidades intermedias esperamos encontrar otras fases (denominadas "líquido de quarks no CFL" en la figura) cuya naturaleza se desconoce en la actualidad. [15] [16] Podrían ser otras formas de materia de quarks superconductora de color, o algo diferente.
Ahora, imaginemos que empezamos en la esquina inferior izquierda del diagrama de fases, en el vacío donde μ = T = 0. Si calentamos el sistema sin introducir ninguna preferencia por los quarks sobre los antiquarks, esto corresponde a moverse verticalmente hacia arriba a lo largo del eje T. Al principio, los quarks todavía están confinados y creamos un gas de hadrones ( piones , principalmente). Luego, alrededor de T = 150 MeV hay un cruce al plasma de quarks y gluones: las fluctuaciones térmicas rompen los piones y encontramos un gas de quarks, antiquarks y gluones, así como partículas más ligeras como fotones, electrones, positrones, etc. Seguir este camino corresponde a viajar muy atrás en el tiempo (por así decirlo), al estado del universo poco después del big bang (donde había una preferencia muy pequeña por los quarks sobre los antiquarks).
La línea que se eleva desde la transición de materia nuclear/quark y luego se dobla hacia el eje T , con su extremo marcado por una estrella, es el límite conjeturado entre las fases confinadas y no confinadas. Hasta hace poco también se creía que era un límite entre las fases en las que se rompe la simetría quiral (baja temperatura y densidad) y las fases en las que no se rompe (alta temperatura y densidad). Ahora se sabe que la fase CFL exhibe una ruptura de la simetría quiral, y otras fases de materia de quarks también pueden romper la simetría quiral, por lo que no está claro si esta es realmente una línea de transición quiral. La línea termina en el " punto crítico quiral ", marcado por una estrella en esta figura, que es una temperatura y densidad especiales en las que se esperan fenómenos físicos sorprendentes, análogos a la opalescencia crítica . (Referencia para esta sección: [15] [16] [17] ).
Para una descripción completa del diagrama de fases se requiere un conocimiento completo de la materia hadrónica densa y fuertemente interactuante y de la materia de quarks fuertemente interactuante a partir de alguna teoría subyacente, por ejemplo, la cromodinámica cuántica (QCD). Sin embargo, dado que dicha descripción requiere una comprensión adecuada de la QCD en su régimen no perturbativo, que aún está lejos de ser comprendido por completo, cualquier avance teórico sigue siendo muy desafiante.
La estructura de fases de la materia de quarks sigue siendo en gran parte conjetural porque es difícil realizar cálculos que predigan las propiedades de la materia de quarks. La razón es que la QCD, la teoría que describe la interacción dominante entre quarks, está fuertemente acoplada a las densidades y temperaturas de mayor interés físico y, por lo tanto, es muy difícil obtener predicciones a partir de ella. A continuación se presentan breves descripciones de algunos de los enfoques estándar.
La única herramienta de cálculo de primeros principios disponible actualmente es la QCD en red , es decir, cálculos informáticos de fuerza bruta. Debido a un obstáculo técnico conocido como el problema del signo del fermión , este método solo se puede utilizar a baja densidad y alta temperatura (μ < T ), y predice que el cruce al plasma de quarks y gluones ocurrirá alrededor de T = 150 MeV [18] Sin embargo, no se puede utilizar para investigar la interesante estructura de fase superconductora de color a alta densidad y baja temperatura. [19]
Debido a que la QCD es asintóticamente libre , se acopla débilmente a densidades irrealmente altas, y se pueden utilizar métodos diagramáticos. [16] Estos métodos muestran que la fase CFL se produce a densidades muy altas. Sin embargo, a altas temperaturas, los métodos diagramáticos aún no están completamente controlados.
Para obtener una idea aproximada de qué fases pueden ocurrir, se puede utilizar un modelo que tiene algunas de las mismas propiedades que la QCD, pero es más fácil de manipular. Muchos físicos utilizan modelos de Nambu–Jona-Lasinio , que no contienen gluones, y reemplazan la interacción fuerte con una interacción de cuatro fermiones . Los métodos de campo medio se utilizan comúnmente para analizar las fases. Otro enfoque es el modelo de bolsa , en el que los efectos del confinamiento se simulan mediante una densidad de energía aditiva que penaliza la materia de quarks no confinada.
Muchos físicos simplemente abandonan el enfoque microscópico y hacen conjeturas fundamentadas sobre las fases esperadas (tal vez basándose en los resultados del modelo NJL). Para cada fase, escriben una teoría eficaz para las excitaciones de baja energía, en términos de un pequeño número de parámetros, y la utilizan para hacer predicciones que podrían permitir fijar esos parámetros mediante observaciones experimentales. [17]
Hay otros métodos que a veces se utilizan para arrojar luz sobre la QCD, pero por diversas razones aún no han arrojado resultados útiles en el estudio de la materia de quarks.
Consideremos el número de colores N , que en realidad es 3, como un número grande y expandamos en potencias de 1/ N. Resulta que a alta densidad las correcciones de orden superior son grandes y la expansión arroja resultados engañosos. [15]
Añadir quarks escalares (squarks) y gluones fermiónicos (gluinos) a la teoría la hace más manejable, pero la termodinámica de la materia de quarks depende fundamentalmente del hecho de que sólo los fermiones pueden llevar número de quarks, y del número de grados de libertad en general.
Experimentalmente, es difícil trazar el diagrama de fases de la materia de quarks porque ha sido bastante difícil aprender a ajustarse a temperaturas y densidades suficientemente altas en el experimento de laboratorio utilizando colisiones de iones pesados relativistas como herramientas experimentales. Sin embargo, estas colisiones finalmente proporcionarán información sobre el paso de la materia hadrónica a la materia QGP. Se ha sugerido que las observaciones de estrellas compactas también pueden limitar la información sobre la región de baja temperatura y alta densidad. Los modelos de enfriamiento, deceleración y precesión de estas estrellas ofrecen información sobre las propiedades relevantes de su interior. A medida que las observaciones se vuelvan más precisas, los físicos esperan aprender más. [15]
Uno de los temas naturales para futuras investigaciones es la búsqueda de la ubicación exacta del punto crítico quiral. Algunos ambiciosos cálculos de QCD en red pueden haber encontrado evidencia de ello, y los cálculos futuros aclararán la situación. Las colisiones de iones pesados podrían ser capaces de medir su posición experimentalmente, pero esto requerirá escanear a través de un rango de valores de μ y T. [20]
En 2020, se proporcionó evidencia de que los núcleos de las estrellas de neutrones con masa ~2 M ⊙ probablemente estaban compuestos de materia de quarks. [7] [21] Su resultado se basó en la deformabilidad de marea de estrellas de neutrones durante una fusión de estrellas de neutrones medida por observatorios de ondas gravitacionales , lo que llevó a una estimación del radio de la estrella, combinada con cálculos de la ecuación de estado que relaciona la presión y la densidad de energía del núcleo de la estrella. La evidencia fue fuertemente sugerente pero no demostró de manera concluyente la existencia de materia de quarks.