Цветная сверхпроводимость

Цветная сверхпроводимость — это явление, при котором материя переносит цветовой заряд без потерь, по аналогии с тем, как обычные сверхпроводники могут без потерь переносить электрический заряд . Цветная сверхпроводимость, по прогнозам, возникает в кварковой материи , если плотность барионов достаточно высока (т. е. намного выше плотности и энергии атомного ядра) и температура не слишком высока (значительно ниже 10 ¹² кельвины). Цветным сверхпроводящим фазам следует противопоставить нормальную фазу кварковой материи, которая представляет собой слабо взаимодействующую ферми-жидкость кварков.

Теоретически цветная сверхпроводящая фаза — это состояние, в котором кварки вблизи поверхности Ферми коррелируют в куперовские пары , которые конденсируются. С феноменологической точки зрения, цветная сверхпроводящая фаза нарушает некоторые симметрии базовой теории и имеет совершенно другой спектр возбуждений и совсем другие транспортные свойства, чем нормальная фаза.

Описание

Аналогия со сверхпроводящими металлами.

Хорошо известно, что при низкой температуре многие металлы становятся сверхпроводниками . Металл можно частично рассматривать как ферми-жидкость электронов, и ниже критической температуры притягивающее фононное взаимодействие между электронами вблизи поверхности Ферми заставляет их объединяться в пары и образовывать конденсат куперовских пар, который через андерсоновскую – Механизм Хиггса делает фотон массивным, что приводит к характерному поведению сверхпроводника: бесконечной проводимости и исключению магнитных полей ( эффект Мейснера ). Важнейшими ингредиентами для этого являются:

жидкость заряженных фермионов.
притягивающее взаимодействие между фермионами
низкая температура (ниже критической температуры)

Эти ингредиенты также присутствуют в достаточно плотной кварковой материи, что заставляет физиков ожидать, что нечто подобное произойдет и в этом контексте:

кварки несут как электрический заряд, так и цветовой заряд ;
сильное взаимодействие между двумя кварками очень притягательно;
Ожидается, что критическая температура будет задана по шкале КХД, которая имеет порядок 100 МэВ, или 10 ¹² Кельвины — температура Вселенной через несколько минут после Большого взрыва , поэтому кварковая материя, которую мы можем сейчас наблюдать в компактных звездах или других природных условиях, будет ниже этой температуры.

Тот факт, что куперовская пара кварков несет в себе суммарный цветовой заряд, а также суммарный электрический заряд, означает, что некоторые из глюонов (которые опосредуют сильное взаимодействие так же, как фотоны опосредуют электромагнетизм) становятся массивными в фазе с конденсатом кварков. Куперовы пары, поэтому такую фазу называют «цветным сверхпроводником». На самом деле во многих фазах цветной сверхпроводимости сам фотон не становится массивным, а смешивается с одним из глюонов, образуя новый безмассовый «повернутый фотон». Это эхо в МэВном масштабе смешения гиперзаряда и W ₃ -бозонов, которое первоначально дало фотон в ТэВном масштабе нарушения электрослабой симметрии.

Разнообразие цветных сверхпроводящих фаз

В отличие от электрического сверхпроводника, цветная сверхпроводящая кварковая материя существует во многих разновидностях, каждая из которых представляет собой отдельную фазу материи. Это связано с тем, что кварки, в отличие от электронов, бывают разных видов. Существует три разных цвета (красный, зеленый, синий), и в ядре компактной звезды мы ожидаем три разных аромата (верхний, нижний, странный), всего девять видов. Таким образом, при формировании пар Купера существует матрица цвета и вкуса 9 × 9 возможных шаблонов спаривания. Различия между этими закономерностями очень физически значимы: разные закономерности нарушают разную симметрию базовой теории, что приводит к разным спектрам возбуждения и разным транспортным свойствам.

Очень трудно предсказать, какие модели спаривания будут предпочтительнее в природе. В принципе этот вопрос можно было бы решить с помощью расчета КХД, поскольку КХД — это теория, полностью описывающая сильное взаимодействие. В пределе бесконечной плотности, когда сильное взаимодействие становится слабым из-за асимптотической свободы , можно выполнять контролируемые вычисления, и известно, что предпочтительной фазой в кварковой материи с тремя ароматами является фаза с фиксированным цветовым ароматом . Но при плотностях, существующих в природе, эти расчеты ненадежны, и единственной известной альтернативой является грубый вычислительный подход решеточной КХД , который, к сожалению, имеет техническую трудность (« проблема знака »), делающую его бесполезным для расчетов при высоких значениях. плотность кварков и низкая температура.

В настоящее время физики развивают следующие направления исследований цветной сверхпроводимости:

Выполнение вычислений в пределе бесконечной плотности, чтобы получить некоторое представление о поведении на одном краю фазовой диаграммы.
Выполнение расчетов фазовой структуры вплоть до средней плотности с использованием сильно упрощенной модели КХД, модели Намбу-Йона-Лазинио (NJL), которая не является контролируемым приближением, но, как ожидается, даст полуколичественную информацию.
Напишите эффективную теорию возбуждений данной фазы и используйте ее для расчета физических свойств этой фазы.
Выполнение астрофизических расчетов с использованием моделей НИЛ или эффективных теорий, чтобы выяснить, существуют ли наблюдаемые признаки, с помощью которых можно подтвердить или исключить наличие определенных цветных сверхпроводящих фаз в природе (т. е. в компактных звездах: см. следующий раздел).

Возможное возникновение в природе

Единственное известное место во Вселенной, где плотность барионов может быть достаточно высокой для образования кварковой материи, а температура достаточно низкая для возникновения цветной сверхпроводимости, — это ядро компактной звезды (часто называемой « нейтронной звездой »). термин, который предрешает вопрос о его действительном составе). Здесь много открытых вопросов:

Мы не знаем критической плотности, при которой произойдет фазовый переход от ядерной материи к той или иной форме кварковой материи, поэтому мы не знаем, имеют ли компактные звезды ядра кварковой материи или нет.
С другой стороны, вполне возможно, что ядерная материя в массе на самом деле метастабильна и распадается на кварковую материю («гипотеза стабильной странной материи »). В этом случае компактные звезды полностью состояли бы из кварковой материи вплоть до своей поверхности.
Предполагая, что компактные звезды действительно содержат кварковую материю, мы не знаем, находится ли эта кварковая материя в фазе цветной сверхпроводимости или нет. При бесконечной плотности можно ожидать цветную сверхпроводимость, а притягивающая природа доминирующего сильного взаимодействия кварков-кварков заставляет ожидать, что оно сохранится и до более низких плотностей, но может произойти переход в какую-то сильно связанную фазу (например, фазу Бозе-Эйнштейна). конденсат пространственно связанных ди- или гексакварков ).

См. также

Материя КХД - Гипотетические фазы материи
Фермионный конденсат – Состояние вещества
Цветная сверхпроводимость SU (2) - свойство кварковой материи.

Дальнейшее чтение

Алфорд, М. (2001). «Цветная сверхпроводящая кварковая материя» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 51 : 131–160. arXiv : hep-ph/0102047 . Бибкод : 2001ARNPS..51..131A . дои : 10.1146/annurev.nucl.51.101701.132449 .
Алфорд, М.; Шмитт, А.; Раджагопал, К.; Шефер, Т. (2008). «Цветовая сверхпроводимость в плотной кварковой материи». Обзоры современной физики . 80 (4): 1455–1515. arXiv : 0709.4635 . Бибкод : 2008РвМП...80.1455А . дои : 10.1103/RevModPhys.80.1455 . S2CID 14117263 .
Чейн, Дж.; Коуэн, Г.; Алфорд, М. (2005). «Сверхпроводящие кварки» . Границы . 21 :16–17. Архивировано из оригинала 12 марта 2007 г.
Хэндс, С. (2001). «Фазовая диаграмма КХД». Современная физика . 42 (4): 209–225. arXiv : физика/0105022 . Бибкод : 2001ConPh..42..209H . дои : 10.1080/00107510110063843 . S2CID 16835076 .
Нардулли, Г. (2002). «Эффективное описание КХД при очень высоких плотностях». Ривиста дель Нуово Чименто . 25 (3): 1–80. arXiv : hep-ph/0202037 . Бибкод : 2002NCimR..25c...1N . дои : 10.1007/BF03548906 .
Раджагопал, К.; Вильчек, Ф. (2000). Физика конденсированного состояния КХД . стр. 2061–2151. arXiv : hep-ph/0011333 . CiteSeerX 10.1.1.344.2269 . дои : 10.1142/9789812810458_0043 . ISBN 978-981-02-4445-3 . S2CID 13606600 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
Редди, С. (2002). «Новые фазы при высокой плотности и их роль в структуре и эволюции нейтронных звезд». Акта Физика Полоника Б. 33 (12): 4101–4140. arXiv : nucl-th/0211045 . Бибкод : 2002AcPPB..33.4101R .
Ришке, Д.Х. (2004). «Кварк-глюонная плазма в равновесии». Прогресс в области физики элементарных частиц и ядерной физики . 52 (1): 197–296. arXiv : nucl-th/0305030 . Бибкод : 2004ПрПНП..52..197Р . CiteSeerX 10.1.1.265.4175 . дои : 10.1016/j.ppnp.2003.09.002 . S2CID 119081533 .
Шефер, Т. (2003). «Кварковая материя». arXiv : hep-ph/0304281 .
Шовковый И.А. (2005). «Две лекции по цветной сверхпроводимости». Основы физики . 35 (8): 1309–1358. arXiv : nucl-th/0410091 . Бибкод : 2005FoPh...35.1309S . дои : 10.1007/s10701-005-6440-x . S2CID 15336887 .

Ссылки