Kvarkmateria – en extremt tät fas av materia som består av subatomära partiklar som kallas kvarkar – kan finnas i hjärtat av neutronstjärnor. Det kan också skapas för korta ögonblick i partikelkolliderare på jorden, som CERNs Large Hadron Collider. Men kvarkmaterias kollektiva beteende är inte lätt att fastställa. I ett kollokvium denna vecka på CERN, Aleksi Kurkela från CERNs teoriavdelning och universitetet i Stavanger, Norge, förklarade hur neutronstjärnedata har gjort det möjligt för honom och hans kollegor att sätta snäva gränser för det kollektiva beteendet hos denna extrema form av materia.

Kurkela och kollegor använde en neutronstjärneegenskap som härleddes från den första observationen av LIGO och Jungfruns vetenskapliga samarbeten av gravitationsvågor - krusningar i rymdtidens struktur - som emitteras av sammanslagning av två neutronstjärnor. Den här egenskapen beskriver styvheten hos en stjärna som svar på påfrestningar orsakade av gravitationskraften hos en medföljande stjärna, och är tekniskt känd som tidvattendeformerbarhet.

För att beskriva kvarkmaterias kollektiva beteende, fysiker använder i allmänhet tillståndsekvationer, som relaterar trycket från ett materiatillstånd till andra statliga egenskaper. Men de har ännu inte kommit fram till en unik tillståndsekvation för kvarkmateria; de har endast härlett familjer av sådana ekvationer. Genom att plugga in tidvattendeformerbarhetsvärden för neutronstjärnorna som observerats av LIGO och Jungfrun i en härledning av en familj av tillståndsekvationer för neutronstjärnakvarkmateria, Kurkela och kollegor kunde dramatiskt minska storleken på den ekvationsfamiljen. En sådan reducerad familj ger strängare gränser för kvarkmaterias kollektiva egenskaper, och mer allmänt om kärnämne vid höga densiteter, än vad som tidigare fanns.

Beväpnad med dessa resultat, forskarna vände sedan på problemet och använde kvarkmateriagränserna för att härleda neutronstjärnans egenskaper. Genom att använda detta tillvägagångssätt, laget fick förhållandet mellan radien och massan av en neutronstjärna, och fann att den maximala radien för en neutronstjärna som är 1,4 gånger mer massiv än solen borde vara mellan cirka 10 och 14 km.