Quarkmaterie - een extreem dichte fase van materie die bestaat uit subatomaire deeltjes die quarks worden genoemd - kan in het hart van neutronensterren voorkomen. Het kan ook worden gemaakt voor korte momenten in deeltjesversnellers op aarde, zoals de Large Hadron Collider van CERN. Maar het collectieve gedrag van quark-materie is niet eenvoudig vast te stellen. In een colloquium deze week op CERN, Aleksi Kurkela van de afdeling Theorie van CERN en de Universiteit van Stavanger, Noorwegen, legde uit hoe gegevens over neutronensterren hem en zijn collega's in staat hebben gesteld strakke grenzen te stellen aan het collectieve gedrag van deze extreme vorm van materie.

Kurkela en collega's gebruikten een eigenschap van een neutronenster die is afgeleid van de eerste waarneming door de wetenschappelijke samenwerkingen van LIGO en Virgo van zwaartekrachtsgolven - rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd - uitgezonden door de samensmelting van twee neutronensterren. Deze eigenschap beschrijft de stijfheid van een ster als reactie op spanningen veroorzaakt door de zwaartekracht van een begeleidende ster, en is technisch bekend als getijdenvervormbaarheid.

Om het collectieve gedrag van quarkmaterie te beschrijven, natuurkundigen gebruiken over het algemeen toestandsvergelijkingen, die de druk van een toestand van materie relateren aan andere toestandseigenschappen. Maar ze moeten nog komen met een unieke toestandsvergelijking voor quark-materie; ze hebben alleen families van dergelijke vergelijkingen afgeleid. Door de getijdenvervormbaarheidswaarden van de neutronensterren waargenomen door LIGO en Virgo in te pluggen in een afleiding van een familie van toestandsvergelijkingen voor neutronenster-quarkmaterie, Kurkela en collega's waren in staat om de omvang van die vergelijkingsfamilie drastisch te verminderen. Zo'n gereduceerde familie zorgt voor strengere limieten voor de collectieve eigenschappen van quarkmaterie, en meer in het algemeen over nucleaire materie bij hoge dichtheden, dan voorheen beschikbaar waren.

Gewapend met deze resultaten, de onderzoekers draaiden het probleem vervolgens om en gebruikten de quark-materielimieten om de eigenschappen van neutronensterren af ​​te leiden. Met behulp van deze aanpak, het team verkreeg de relatie tussen de straal en de massa van een neutronenster, en ontdekte dat de maximale straal van een neutronenster die 1,4 keer massiever is dan de zon tussen ongeveer 10 en 14 km zou moeten zijn.