La materia di quark, una fase estremamente densa della materia costituita da particelle subatomiche chiamate quark, potrebbe esistere nel cuore delle stelle di neutroni. Può anche essere creato per brevi momenti in collisori di particelle sulla Terra, come il Large Hadron Collider del CERN. Ma il comportamento collettivo della materia dei quark non è facile da definire. In un colloquio questa settimana al CERN, Aleksi Kurkela del dipartimento di teoria del CERN e dell'Università di Stavanger, Norvegia, ha spiegato come i dati delle stelle di neutroni hanno permesso a lui e ai suoi colleghi di porre limiti stretti al comportamento collettivo di questa forma estrema di materia.

Kurkela e colleghi hanno utilizzato una proprietà di una stella di neutroni dedotta dalla prima osservazione da parte delle collaborazioni scientifiche LIGO e Virgo delle onde gravitazionali – increspature nel tessuto dello spaziotempo – emesse dalla fusione di due stelle di neutroni. Questa proprietà descrive la rigidità di una stella in risposta alle sollecitazioni causate dall'attrazione gravitazionale di una stella compagna, ed è tecnicamente nota come deformabilità mareale.

Per descrivere il comportamento collettivo della materia di quark, i fisici generalmente utilizzano equazioni di stato, che mettono in relazione la pressione di uno stato della materia con altre proprietà dello stato. Ma devono ancora trovare un'equazione di stato unica per la materia dei quark; hanno derivato solo famiglie di tali equazioni. Inserendo i valori di deformabilità mareale delle stelle di neutroni osservate da LIGO e Virgo in una derivazione di una famiglia di equazioni di stato per materia di quark di stelle di neutroni, Kurkela e colleghi sono stati in grado di ridurre drasticamente le dimensioni di quella famiglia di equazioni. Una famiglia così ridotta fornisce limiti più stringenti alle proprietà collettive della materia di quark, e più in generale sulla materia nucleare ad alta densità, rispetto a quelli precedentemente disponibili.

Armati di questi risultati, i ricercatori hanno quindi ribaltato il problema e hanno utilizzato i limiti della materia dei quark per dedurre le proprietà delle stelle di neutroni. Utilizzando questo approccio, il team ha ottenuto la relazione tra il raggio e la massa di una stella di neutroni, e ha scoperto che il raggio massimo di una stella di neutroni che è 1,4 volte più massiccia del Sole dovrebbe essere compreso tra circa 10 e 14 km.