En tæt kvarkvæske er forskellig fra en tæt nukleonvæske

Atomkerner er lavet af nukleoner (som protoner og neutroner), som selv er lavet af kvarker. Når de knuses ved høje tætheder, opløses kerner i en væske af nukleoner, og ved endnu højere tætheder opløses nukleonerne selv i en kvarkvæske.

I en ny undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Physical Review B , behandlede forskere spørgsmålet om, hvorvidt væskerne i nukleoner og kvarker er fundamentalt forskellige.

Deres teoretiske beregninger tyder på, at disse væsker er forskellige. Begge typer væsker producerer hvirvler, når de roterer, men i kvarkvæsker bærer hvirvlerne et "farve-magnetisk felt", der ligner et almindeligt magnetfelt. Der er ingen sådan effekt i nukleonvæsker. Således adskiller disse hvirvler skarpt kvarkvæsker fra nukleare væsker.

Kvarker og nukleoner inde i kerner interagerer med hinanden via den stærke kernekraft. Denne kraft har en spændende egenskab kendt som indespærring. Det betyder, at videnskabsmænd kun kan observere grupper af kvarker bundet sammen, men aldrig en individuel kvark i sig selv. Med andre ord siges kvarker at være "indesluttet". Det er også svært at beskrive indespærring eller endda definere det præcist ved hjælp af teoretiske værktøjer.

Dette arbejde, der bruger vortex-egenskaber til at skelne kvarkvæsker fra nukleonvæsker, løser dette langvarige problem. Det antyder, at der er en præcis betydning, hvor tætte kvarkvæsker ikke begrænser, mens nukleare væsker begrænser.

Hvorvidt kernestof er adskilt fra kvarkstof, med andre ord adskilt af en faseovergang, er et gammelt spørgsmål i studiet af stærke interaktioner, specifikt teorien om kvantekromodynamik (QCD). Tilsvarende har videnskabsmænd spurgt, om det er muligt at give en skarp definition af indespærring.

Begge disse spørgsmål er tidligere blevet udforsket fra et relativt gammelt perspektiv, kendt som Landau-paradigmet for faseovergange. Landau paradigmeovervejelser tyder på, at kerne- og kvarkstof ikke er adskilte. Det indebærer også, at indeslutning ikke kan defineres skarpt i QCD.

Dette arbejde udfordrer disse konklusioner ved at vedtage et nyt sæt værktøjer, opdaget af fysikere i løbet af de sidste 40 år. Disse værktøjer registrerer topologiske overgange i materialer, der ikke passer ind i det tidligere paradigme. Når de anvendes til studiet af QCD, afslører de, at kvarkstof og nukleart stof er forskellige. For at skelne kvarkstof fra nukleart stof skal forskerne sammenligne vortexegenskaber i de to tilfælde. En simpel beregning afslører, at hvirvelen i kvarkstof fanger et farvemagnetisk felt, som er fraværende i nukleart stof. Dette resultat tyder også på, at indeslutning kan defineres strengt i tæt QCD.

Flere oplysninger: Aleksey Cherman et al., Hvirvler i spin-0-supervæsker bærer magnetisk flux, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.107.024502

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang B

Leveret af det amerikanske energiministerium