La superconductividad del 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 se producirá superconductividad de color en la materia de quarks si la densidad bariónica es suficientemente alta (es decir, muy por encima de la densidad y energías de un núcleo atómico) y la temperatura no es demasiado alta (muy por debajo de 10 12 kelvins). Las fases superconductoras de color deben contrastarse con la fase normal de la materia de los quarks, que no es más que 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 bajas temperaturas muchos metales se convierten en superconductores . Un metal puede verse en parte como un líquido de electrones de Fermi 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 sistema de Anderson –El mecanismo de Higgs vuelve masivo al fotón , 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 la materia de quarks suficientemente densa, lo que lleva a los físicos a esperar que suceda algo similar en ese contexto:
El hecho de que un par de quarks de Cooper lleve una carga neta de color, así como una carga eléctrica neta, significa que algunos de los gluones (que median la interacción fuerte del mismo modo que los fotones median el electromagnetismo) se vuelven masivos en una fase con un condensado de quark. Cooper se empareja, por lo que dicha fase se denomina "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. Este es un eco a escala MeV de la mezcla de la hipercarga y los bosones W 3 que originalmente produjeron el fotón en la escala 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, vienen 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 nueve especies en total. Por lo tanto, al formar los pares de Cooper hay una matriz de colores y sabores de 9×9 de posibles patrones de emparejamiento. Las diferencias entre estos patrones son muy significativas físicamente: diferentes patrones rompen diferentes simetrías de la teoría subyacente, lo que lleva a diferentes espectros de excitación y diferentes propiedades de transporte.
Es muy difícil predecir qué patrones de emparejamiento se verán favorecidos en la naturaleza. En principio, esta cuestión podría decidirse mediante un cálculo de QCD, ya que 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 color-sabor . Pero en 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 red QCD , que desafortunadamente tiene una dificultad técnica (el " problema de signos ") que lo vuelve inútil para cálculos a altas densidades. Densidad de quarks y baja temperatura.
Actualmente, los físicos siguen las siguientes líneas de investigación sobre la superconductividad del color:
El único lugar conocido en el universo donde la densidad bariónica podría ser lo suficientemente alta como para producir materia de quarks, y la temperatura es lo suficientemente baja como para que se produzca la superconductividad de color, es el núcleo de una estrella compacta (a menudo llamada " estrella de neutrones ", una término que prejuzga la cuestión de su composición real). Hay muchas preguntas abiertas aquí:
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