superconductividad de color

Es bien sabido que a bajas temperaturas muchos metales se convierten en superconductores . Un metal puede considerarse, en parte, como un líquido de Fermi de electrones, y por debajo de una temperatura crítica, una interacción atractiva mediada por fonones entre los electrones cerca de la superficie de Fermi provoca que se emparejen y formen un condensado de pares de Cooper, lo que, mediante el mecanismo de Anderson-Higgs, hace que el fotón tenga masa, dando lugar a los comportamientos característicos de un superconductor: conductividad infinita y exclusión de campos magnéticos ( efecto Meissner ). Los ingredientes cruciales para que esto ocurra son:

1. un líquido de fermiones cargados.
2. una interacción atractiva entre los fermiones
3. baja temperatura (por debajo de la temperatura crítica)

Estos ingredientes también están presentes en la materia de quarks suficientemente densa, lo que lleva a los físicos a esperar que ocurra algo similar en ese contexto:

1. Los quarks poseen tanto carga eléctrica como carga de color ;
2. La fuerte interacción entre dos quarks es poderosamente atractiva;
3. Se espera que la temperatura crítica venga dada por la escala de QCD, que es del orden de 100 MeV, o 10¹² ^kelvin , la temperatura del universo unos minutos después del Big Bang , por lo que la materia de quarks que podemos observar actualmente en estrellas compactas u otros entornos naturales estará por debajo de esta temperatura.

El hecho de que un par de quarks de Cooper posea una carga de color neta, además de una carga eléctrica neta, implica que algunos de los gluones (que median la interacción fuerte, al igual que los fotones median el electromagnetismo) adquieren masa en una fase con un condensado de pares de quarks de Cooper; por ello, dicha fase se denomina "superconductor de color". En realidad, en muchas fases superconductoras de color, el fotón en sí no adquiere masa, sino que se mezcla con uno de los gluones para generar un nuevo "fotón rotado" sin masa. Este es un eco a escala de MeV de la mezcla de la hipercarga y los bosones W3 _que originalmente produjo el fotón a la escala de TeV de la ruptura de la simetría electrodébil.

A diferencia de un superconductor eléctrico, la materia de quarks superconductora de color se presenta en numerosas variedades, cada una de las cuales constituye una fase distinta de la materia. Esto se debe a que los quarks, a diferencia de los electrones, existen en múltiples especies. Hay tres colores diferentes (rojo, verde y azul) y en el núcleo de una estrella compacta se esperan tres sabores distintos (arriba, abajo y extraño), lo que da un total de nueve especies. Por lo tanto, en la formación de los pares de Cooper, existe una matriz de color-sabor de 9×9 con posibles patrones de emparejamiento. Las diferencias entre estos patrones son muy significativas desde el punto de vista físico: los distintos patrones rompen diferentes simetrías de la teoría subyacente, lo que da lugar a diferentes espectros de excitación y diferentes propiedades de transporte.

Es muy difícil predecir qué patrones de emparejamiento serán favorecidos en la naturaleza. En principio, esta cuestión podría resolverse mediante un cálculo de QCD, ya que la 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 de color-sabor bloqueado . Pero a las densidades que existen en la naturaleza, estos cálculos no son fiables, y la única alternativa conocida es el enfoque computacional de fuerza bruta de la QCD en la red , que desafortunadamente tiene una dificultad técnica (el " problema del signo ") que la hace inútil para cálculos a alta densidad de quarks y baja temperatura.

Actualmente, los físicos están desarrollando las siguientes líneas de investigación sobre la superconductividad de color:

• Realizar cálculos en el límite de densidad infinita para obtener una idea del comportamiento en un extremo del diagrama de fases .
• Realizar cálculos de la estructura de fase hasta densidad media utilizando un modelo de QCD altamente simplificado, el modelo de Nambu-Jona-Lasinio (NJL), que no es una aproximación controlada, pero se espera que proporcione información semicuantitativa.
• Redactar una teoría eficaz para las excitaciones de una fase determinada y utilizarla para calcular las propiedades físicas de esa fase.
• Realizar cálculos astrofísicos, utilizando modelos NJL o teorías efectivas, para ver si hay señales observables que permitan confirmar o descartar la presencia de fases superconductoras de color específicas en la naturaleza (es decir, en estrellas compactas: véase la siguiente sección).