Atomkärnor är gjorda av nukleoner (som protoner och neutroner), som själva är gjorda av kvarkar. När de krossas vid höga densiteter löses kärnorna upp i en vätska av nukleoner och vid ännu högre densitet löses själva nukleonerna till en kvargvätska.
I en ny studie, publicerad i tidskriften Physical Review B , tog forskare upp frågan om huruvida vätskorna i nukleoner och kvarkar är fundamentalt olika.
Deras teoretiska beräkningar tyder på att dessa vätskor är olika. Båda typerna av vätskor producerar virvlar när de roterar, men i kvargvätskor bär virvlarna ett "färg-magnetiskt fält", liknande ett vanligt magnetfält. Det finns ingen sådan effekt i nukleonvätskor. Således skiljer dessa virvlar skarpt kvargvätskor från kärnvätskor.
Kvarkar och nukleoner inuti kärnor interagerar med varandra via den starka kärnkraften. Denna kraft har en spännande egenskap som kallas instängning. Detta innebär att forskare bara kan observera grupper av kvarkar bundna tillsammans, men aldrig en enskild kvark i sig. Med andra ord sägs kvarkar vara "instängda". Det är också svårt att beskriva inneslutning eller ens definiera den exakt med hjälp av teoretiska verktyg.
Detta arbete, som använder virvelegenskaper för att skilja kvarkvätskor från nukleonvätskor, tar itu med detta långvariga problem. Det antyder att det finns en exakt mening i vilken täta kvargvätskor inte begränsar medan kärnvätskor begränsar.
Huruvida kärnämne är skild från kvarkmateria, med andra ord separerad av en fasövergång, är en gammal fråga i studiet av starka interaktioner, särskilt teorin om kvantkromodynamik (QCD). På liknande sätt har forskare frågat om det är möjligt att ge en skarp definition av inneslutning eller inte.
Båda dessa frågor har undersökts tidigare ur ett relativt gammalt perspektiv, känt som Landau-paradigmet för fasövergångar. Landau paradigmöverväganden tyder på att kärn- och kvarkmateria inte är distinkta. Det innebär också att inneslutning inte kan definieras skarpt i QCD.
Detta arbete utmanar dessa slutsatser genom att anta en ny uppsättning verktyg som upptäckts av fysiker under de senaste 40 åren. Dessa verktyg upptäcker topologiska övergångar i material som inte passar in i det tidigare paradigmet. När de tillämpas på studien av QCD avslöjar de att kvarkmateria och kärnämne är olika. För att skilja kvarkmateria från kärnämne måste forskare jämföra vortexegenskaper i de två fallen. En enkel beräkning avslöjar att virveln i kvarkmateria fångar ett färgmagnetiskt fält som saknas i kärnämne. Detta resultat tyder också på att inneslutning kan definieras noggrant i tät QCD.
Mer information: Aleksey Cherman et al, Vortices in spin-0 superfluids bär magnetiskt flöde, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.107.024502
Journalinformation: Fysisk granskning B
Tillhandahålls av US Department of Energy
