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 destacado es el plasma de quarks-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 todavía son sólo teóricos, ya que requieren condiciones tan extremas que no pueden producirse en ningún laboratorio, especialmente en condiciones de equilibrio. En estas condiciones extremas, se altera la estructura familiar de la materia , donde los constituyentes básicos son núcleos (que consisten en nucleones que son estados unidos de quarks) y electrones. En materia de quarks, es más apropiado tratar a los propios quarks como 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 a los quarks en partículas compuestas ( hadrones ) de tamaño alrededor de 10 −15 m = 1 femtómetro = 1 fm (correspondiente a la escala de energía QCD Λ QCD ≈ 200 MeV ) y sus efectos no son perceptibles a distancias más largas.
Sin embargo, cuando la temperatura alcanza la escala de energía QCD ( T de orden 10 12 kelvins ) o la densidad aumenta hasta el punto en que la separación promedio entre quarks es inferior a 1 fm ( potencial químico de los quarks μ alrededor de 400 MeV), los hadrones se 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 QCD.
La fuerza de la fuerza del color hace que las propiedades de la materia quark sean diferentes del gas o del plasma, lo que lleva 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.
QCD en el régimen no perturbativo : materia de quarks . Las ecuaciones de QCD predicen que debería formarse un mar de quarks y gluones a alta temperatura y densidad. ¿Cuáles son las propiedades de esta fase de la materia ?
Hasta el momento no se ha observado ninguna estrella con las propiedades esperadas de estos objetos, aunque se han proporcionado algunas pruebas de la existencia de materia de quarks en los núcleos de grandes estrellas de neutrones. [7]
Los experimentos de laboratorio sugieren que la interacción inevitable con núcleos de gases nobles pesados en la atmósfera superior conduciría a la formación de plasma de quarks y gluones.
Aunque el plasma de quarks y gluones sólo 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 del CERN y el Colisionador Relativista de Iones Pesados RHIC del Laboratorio Nacional de Brookhaven .
En estas colisiones, el plasma sólo aparece durante un tiempo muy corto antes de desintegrarse espontáneamente. Las características físicas del plasma se estudian detectando los desechos que emanan de la región de colisión con detectores de partículas grandes [11] [12]
Las colisiones de iones pesados a energías muy altas pueden producir pequeñas regiones del espacio de vida corta cuya densidad de energía es comparable a la del universo de 20 microsegundos . Esto se ha logrado mediante la colisión de núcleos pesados, como núcleos de plomo , a altas velocidades, y la primera afirmación sobre la formación de plasma de quarks-gluones provino del acelerador SPS del CERN en febrero de 2000. [13]
Este trabajo ha continuado en aceleradores más potentes, como el RHIC en EE.UU. y, desde 2010, en el LHC europeo del CERN, situado en la zona fronteriza entre Suiza y Francia. Existe buena evidencia 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 los quarks es el modelo estándar de física de partículas, que contiene seis tipos diferentes de quarks, así como leptones como electrones y 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 portan carga eléctrica; Se producen fuertes interacciones entre partículas que llevan carga de color .
El tratamiento termodinámico correcto de la materia quark depende del contexto físico. Para cantidades grandes que existen durante largos periodos de tiempo (el "límite termodinámico"), debemos tener en cuenta que las únicas cargas conservadas en el modelo estándar son el número de quarks (equivalente al número bariónico ), la carga eléctrica, los ocho colores cargas y número leptón. Cada uno de estos 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 cromática. Esto deja un espacio de fase tridimensional , parametrizado por el potencial químico del quark, el potencial químico del leptón 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 de leptones, por lo que el espacio de fase para la materia de quarks en 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 transportar carga eléctrica.
Una colisión de iones pesados no se encuentra ni en el límite termodinámico de grandes volúmenes ni de largos tiempos. Dejando de lado las cuestiones de si está suficientemente equilibrado 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 arriba y abajo en los núcleos en colisión y el hecho de que no contengan quarks de otros sabores) determinan los potenciales químicos. (Referencia para esta sección: [15] [16] ).
El diagrama de fases de la materia de los 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 del quark μ y la temperatura T.
A modo de orientación, también muestra los valores típicos de μ y T en colisiones de iones pesados y en el universo temprano. 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 entonces una μ más alta 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 los quarks (es decir, aumentamos μ) manteniendo baja la temperatura, pasamos a una fase de materia nuclear cada vez más comprimida. Seguir este camino equivale a profundizar cada vez más en una estrella de neutrones .
Finalmente, en un valor crítico desconocido de μ, se produce una transición a la materia de quarks. En densidades ultraaltas, esperamos encontrar la fase de color-sabor bloqueado (CFL) de la materia de quarks superconductores de color . En densidades intermedias esperamos algunas otras fases (etiquetadas como "líquido de quark no CFL" en la figura) cuya naturaleza se desconoce actualmente. [15] [16] Podrían ser otras formas de materia quark superconductora de color, o algo diferente.
Ahora, imaginemos comenzar 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 movernos verticalmente hacia arriba a lo largo del eje T. Al principio, los quarks siguen confinados y creamos un gas de hadrones ( piones , mayoritariamente). Luego, alrededor de T = 150 MeV se produce un cruce con el plasma de quarks y gluones: las fluctuaciones térmicas rompen los piones y encontramos un gas de quarks, antiquarks y gluones, además de partículas más ligeras como fotones, electrones, positrones, etc. Seguir este camino equivale a viajar muy atrás en el tiempo (por así decirlo), al estado del universo poco después del big bang (donde había una muy pequeña preferencia por los quarks sobre los antiquarks).
La línea que se eleva desde la transición materia nuclear/quark y luego se curva 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 la simetría quiral se rompe (baja temperatura y densidad) y las fases en las que no se rompe (alta temperatura y densidad). Ahora se sabe que la fase CFL muestra 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 se trata realmente de 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 a 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 tener una comprensión completa de la materia hadrónica densa que interactúa fuertemente y de la materia de quarks que interactúa fuertemente a partir de alguna teoría subyacente, por ejemplo, la cromodinámica cuántica (QCD). Sin embargo, debido a que tal descripción requiere una comprensión adecuada de la QCD en su régimen no perturbativo, que aún está lejos de comprenderse completamente, cualquier avance teórico sigue siendo un gran desafío.
La estructura de fases de la materia de los quarks sigue siendo en su mayor parte conjetural porque es difícil realizar cálculos que predigan las propiedades de la materia de los quarks. La razón es que la QCD, la teoría que describe la interacción dominante entre quarks, está fuertemente acoplada en las densidades y temperaturas de mayor interés físico y, por tanto, es muy difícil obtener predicciones a partir de ella. A continuación se ofrecen breves descripciones de algunos de los enfoques estándar.
La única herramienta de cálculo de primeros principios disponible actualmente es el QCD de celosía , es decir, cálculos informáticos de fuerza bruta. Debido a un obstáculo técnico conocido como problema del signo del fermión , este método sólo se puede utilizar a baja densidad y alta temperatura (μ < T ), y predice que el cruce al plasma de quarks-gluones se producirá 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 QCD es asintóticamente libre, se acopla débilmente a densidades irrealmente altas, y se pueden utilizar métodos esquemáticos. [16] Estos métodos muestran que la fase CFL se produce a muy alta densidad. Sin embargo, a altas temperaturas los métodos esquemáticos aún no están totalmente controlados.
Para obtener una idea aproximada de qué fases podrían ocurrir, se puede utilizar un modelo que tenga algunas de las mismas propiedades que QCD, pero que sea 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 renuncian a un enfoque microscópico y hacen conjeturas informadas sobre las fases esperadas (quizás basándose en los resultados del modelo NJL). Luego, para cada fase, escriben una teoría efectiva para las excitaciones de baja energía, en términos de una pequeña cantidad de parámetros, y la utilizan para hacer predicciones que podrían permitir fijar esos parámetros mediante observaciones experimentales. [17]
Existen otros métodos que a veces se utilizan para arrojar luz sobre la QCD, pero que por diversas razones aún no han dado resultados útiles en el estudio de la materia de los quarks.
Trate el número de colores N , que en realidad es 3, como un número grande y expándalo en potencias de 1/ N . Resulta que a alta densidad las correcciones de orden superior son grandes y la expansión da resultados engañosos. [15]
Agregar quarks escalares (squarks) y gluones fermiónicos (gluinos) a la teoría la hace más manejable, pero la termodinámica de la materia de los quarks depende crucialmente del hecho de que sólo los fermiones pueden portar el número de quarks, y del número de grados de libertad en general.
Experimentalmente, es difícil mapear el diagrama de fases de la materia de los quarks porque ha sido bastante difícil aprender cómo sintonizar temperaturas y densidades suficientemente altas en el experimento de laboratorio utilizando colisiones de iones pesados relativistas como herramientas experimentales. Sin embargo, estas colisiones en última instancia proporcionarán información sobre el cruce de la materia hadrónica al QGP. Se ha sugerido que las observaciones de estrellas compactas también pueden limitar la información sobre la región de alta densidad y baja temperatura. Los modelos de enfriamiento, rotación y precesión de estas estrellas ofrecen información sobre las propiedades relevantes de su interior. A medida que las observaciones se vuelven 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. Es posible que algunos cálculos ambiciosos de QCD de celosía hayan encontrado evidencia de ello, y los cálculos futuros aclararán la situación. Las colisiones de iones pesados podrían medir su posición experimentalmente, pero esto requerirá un escaneo en un rango de valores de μ y T. [20]
En 2020, se proporcionó evidencia de que los núcleos de estrellas de neutrones con una masa ~2 M ⊙ probablemente estaban compuestos de materia de quarks. [7] [21] Su resultado se basó en la deformabilidad de las mareas de las estrellas de neutrones durante una fusión de estrellas de neutrones , medida por observatorios de ondas gravitacionales , lo que condujo a una estimación del radio de la estrella, combinado con cálculos de la ecuación de estado que relaciona la presión y la energía. densidad del núcleo de la estrella. La evidencia fue muy sugestiva pero no demostró de manera concluyente la existencia de materia quark.