Atoomkernen zijn gemaakt van nucleonen (zoals protonen en neutronen), die zelf weer zijn gemaakt van quarks. Wanneer ze bij hoge dichtheden worden verpletterd, lossen de kernen op in een vloeistof van nucleonen en bij nog hogere dichtheden lossen de nucleonen zelf op in een quarkvloeistof.

Dat blijkt uit een nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B , gingen onderzoekers in op de vraag of de vloeistoffen van nucleonen en quarks fundamenteel verschillend zijn.

Hun theoretische berekeningen suggereren dat deze vloeistoffen verschillend zijn. Beide soorten vloeistoffen produceren wervels wanneer ze roteren, maar in quarkvloeistoffen dragen de wervels een 'kleur-magnetisch veld', vergelijkbaar met een gewoon magnetisch veld. Een dergelijk effect bestaat niet in nucleonvloeistoffen. Deze wervels onderscheiden quarkvloeistoffen dus scherp van nucleaire vloeistoffen.

Quarks en nucleonen in kernen interageren met elkaar via de sterke kernkracht. Deze kracht heeft een intrigerende eigenschap die bekend staat als opsluiting. Dit betekent dat wetenschappers alleen groepen quarks kunnen waarnemen die aan elkaar zijn gebonden, maar nooit een individuele quark op zichzelf. Met andere woorden, quarks zouden ‘beperkt’ zijn. Het is ook moeilijk om opsluiting te beschrijven of zelfs precies te definiëren met behulp van theoretische hulpmiddelen.

Dit werk, waarbij gebruik wordt gemaakt van vortex-eigenschappen om quark-vloeistoffen van nucleon-vloeistoffen te onderscheiden, pakt dit al lang bestaande probleem aan. Het suggereert dat er een precieze betekenis bestaat waarin dichte quark-vloeistoffen niet beperkend zijn, terwijl nucleaire vloeistoffen wel beperkend zijn.

Of nucleaire materie verschilt van quarkmaterie, met andere woorden gescheiden door een faseovergang, is een oude vraag in de studie van sterke interacties, met name de theorie van de kwantumchromodynamica (QCD). Op dezelfde manier hebben wetenschappers zich afgevraagd of het al dan niet mogelijk is een scherpe definitie van opsluiting te geven.

Beide vragen zijn in het verleden onderzocht vanuit een relatief oud perspectief, bekend als het Landau-paradigma voor faseovergangen. Overwegingen uit het Landau-paradigma suggereren dat nucleaire materie en quarkmaterie niet van elkaar te onderscheiden zijn. Het impliceert ook dat opsluiting niet scherp gedefinieerd kan worden in QCD.

Dit werk daagt deze conclusies uit door gebruik te maken van een nieuwe reeks instrumenten die natuurkundigen de afgelopen veertig jaar hebben ontdekt. Deze tools detecteren topologische overgangen in materialen die niet binnen het vroegere paradigma passen. Wanneer ze worden toegepast op de studie van QCD, onthullen ze dat quarkmaterie en nucleaire materie verschillend zijn. Om quark-materie van nucleaire materie te onderscheiden, moeten wetenschappers de vortex-eigenschappen in de twee gevallen vergelijken. Een eenvoudige berekening onthult dat de vortex in quarkmaterie een kleurmagnetisch veld opsluit dat afwezig is in nucleaire materie. Dit resultaat suggereert ook dat opsluiting rigoureus kan worden gedefinieerd in dichte QCD.

Meer informatie: Aleksey Cherman et al, Vortices in spin-0 superfluïda dragen magnetische flux, Fysieke recensie B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.107.024502

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling B

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie