Цветная сверхпроводимость - Color superconductivity

Цветная сверхпроводимость предсказано, что это явление произойдет в кварковая материя если барион плотность достаточно высока (намного выше ядерной плотности), а температура не слишком высока (значительно ниже 1012 кельвинов). Цветные сверхпроводящие фазы следует противопоставить нормальной фазе кварковой материи, которая представляет собой просто слабо взаимодействующие Ферми жидкость кварков.

Теоретически цветная сверхпроводящая фаза - это состояние, в котором кварки около Поверхность Ферми коррелировать в Куперовские пары, которые конденсируются. С феноменологической точки зрения, цветная сверхпроводящая фаза нарушает некоторые из симметрий лежащей в основе теории и имеет совершенно другой спектр возбуждений и очень отличные транспортные свойства от нормальной фазы.

Описание

Аналогия со сверхпроводящими металлами

Хорошо известно, что при низкой температуре многие металлы становятся сверхпроводники. Металл можно рассматривать как Ферми жидкость электронов, а ниже критической температуры - привлекательный фонон -опосредованное взаимодействие между электронами вблизи поверхности Ферми заставляет их спариваться и образовывать конденсат куперовских пар, которые через Механизм Андерсона-Хиггса делает фотон массивный, что приводит к характерному поведению сверхпроводника; бесконечная проводимость и исключение магнитных полей (Эффект Мейснера ). Ключевыми ингредиентами для этого являются:

  1. жидкость заряженных фермионов.
  2. привлекательное взаимодействие между фермионами
  3. низкая температура (ниже критической температуры)

Эти ингредиенты также присутствуют в достаточно плотной кварковой материи, поэтому физики ожидают, что в этом контексте произойдет нечто подобное:

  1. кварки несут как электрический заряд, так и цветной заряд;
  2. то сильное взаимодействие между двумя кварками сильно притягивает;
  3. критическая температура должна быть задана шкалой КХД, которая имеет порядок 100 МэВ или 1012 кельвинов, температура Вселенной через несколько минут после Большой взрыв, поэтому кварковая материя, которую мы можем сейчас наблюдать в компактных звездах или в других природных условиях, будет ниже этой температуры.

Тот факт, что пара кварков Купера несет чистый цветной заряд, а также чистый электрический заряд, означает, что некоторые из глюоны (которые опосредуют сильное взаимодействие так же, как фотоны опосредуют электромагнетизм) становятся массивными в фазе с конденсатом кварковых куперовских пар, поэтому такая фаза называется «цветным сверхпроводником». Фактически, во многих цветных сверхпроводящих фазах сам фотон не становится массивным, а смешивается с одним из глюонов, образуя новый безмассовый «повернутый фотон». Это эхо-эхо смешения сверхзаряд и W3 бозоны, которые первоначально дали фотон на шкале ТэВ нарушения электрослабой симметрии.

Разнообразие цветных сверхпроводящих фаз

В отличие от электрического сверхпроводника, цветная сверхпроводящая кварковая материя бывает многих разновидностей, каждая из которых является отдельной фазой материи. Это потому, что кварки, в отличие от электронов, бывают разных видов. Есть три разных цвета (красный, зеленый, синий), и в ядре компактной звезды мы ожидаем три разных аромата (вверх, вниз, странный), что составляет всего девять видов. Таким образом, при формировании куперовских пар существует цветовая и ароматическая матрица возможных паттернов спаривания 9 × 9. Различия между этими паттернами очень существенны с физической точки зрения: разные паттерны нарушают разные симметрии лежащей в основе теории, приводя к разным спектрам возбуждения и различным транспортным свойствам.

Очень сложно предсказать, какие модели спаривания будут предпочтительны в природе. В принципе, этот вопрос можно решить с помощью расчета КХД, поскольку КХД - это теория, полностью описывающая сильное взаимодействие. В пределе бесконечной плотности, когда сильное взаимодействие становится слабым из-за асимптотическая свобода, можно проводить контролируемые расчеты, и известно, что предпочтительной фазой в трехароматном кварковом веществе является цвет-аромат заблокирован фаза. Но при плотностях, существующих в природе, эти расчеты ненадежны, и единственной известной альтернативой является метод вычисления методом грубой силы. решеточная КХД, который, к сожалению, имеет техническую трудность ("проблема знака "), что делает его бесполезным для вычислений при высокой плотности кварков и низкой температуре.

В настоящее время физики проводят следующие исследования цветной сверхпроводимости:

  • Выполнение расчетов в пределе бесконечной плотности, чтобы получить некоторое представление о поведении на одном краю фазовой диаграммы.
  • Выполняя расчеты фазовой структуры вплоть до средней плотности с использованием сильно упрощенной модели КХД, Намбу-Йона-Лазинио (NJL), которая не является управляемым приближением, но, как ожидается, даст полуколичественные идеи.
  • Написание эффективной теории возбуждений данной фазы и ее использование для расчета физических свойств этой фазы.
  • Выполнение астрофизических расчетов с использованием моделей NJL или эффективных теорий, чтобы увидеть, есть ли наблюдаемые признаки, по которым можно было бы подтвердить или исключить присутствие определенных цветных сверхпроводящих фаз в природе (то есть в компактных звездах: см. Следующий раздел).

Возможное появление в природе

Единственное известное место во Вселенной, где плотность барионов может быть достаточно высокой для образования кварковой материи, а температура достаточно низкой для возникновения цветной сверхпроводимости, - это ядро компактная звезда (часто называется "нейтронная звезда ", термин, который предрешает вопрос о его реальном составе). Здесь много открытых вопросов:

  • Мы не знаем критической плотности, при которой произошел бы фазовый переход от ядерной материи к какой-либо форме кварковой материи, поэтому мы не знаем, есть ли у компактных звезд ядра кварковой материи или нет.
  • С другой стороны, вполне возможно, что ядерная материя в массе на самом деле метастабильна и распадается на кварковую материю («стабильная странное дело гипотеза »). В этом случае компактные звезды полностью состояли бы из кварковой материи вплоть до их поверхности.
  • Предполагая, что компактные звезды действительно содержат кварковую материю, мы не знаем, находится ли эта кварковая материя в цветной сверхпроводящей фазе или нет. При бесконечной плотности ожидается цветная сверхпроводимость, а привлекательная природа доминирующего сильного кварк-кваркового взаимодействия заставляет ожидать, что оно сохранится вплоть до более низких плотностей, но может произойти переход в некоторую сильно связанную фазу (например, Конденсат Бозе – Эйнштейна пространственно связанных ди- или гексакварки ).

Смотрите также

дальнейшее чтение

Рекомендации