I nuclei atomici sono costituiti da nucleoni (come protoni e neutroni), a loro volta costituiti da quark. Quando vengono schiacciati ad alte densità, i nuclei si dissolvono in un liquido di nucleoni e, a densità ancora più elevate, i nucleoni stessi si dissolvono in un liquido di quark.

In un nuovo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review B , i ricercatori hanno affrontato la questione se i liquidi dei nucleoni e dei quark siano fondamentalmente diversi.

I loro calcoli teorici suggeriscono che questi liquidi sono diversi. Entrambi i tipi di liquidi producono vortici quando ruotano, ma nei liquidi a quark i vortici trasportano un "campo magnetico di colore", simile a un normale campo magnetico. Non esiste un tale effetto nei liquidi nucleonici. Pertanto, questi vortici distinguono nettamente i liquidi quark dai liquidi nucleari.

Quark e nucleoni all'interno dei nuclei interagiscono tra loro tramite la forza nucleare forte. Questa forza ha una proprietà intrigante nota come confinamento. Ciò significa che gli scienziati possono osservare solo gruppi di quark legati insieme, ma mai un singolo quark da solo. In altre parole, si dice che i quark siano “confinati”. È anche difficile descrivere il confinamento o addirittura definirlo con precisione utilizzando strumenti teorici.

Questo lavoro, utilizzando le proprietà dei vortici per distinguere i liquidi di quark dai liquidi di nucleoni, affronta questo problema di vecchia data. Ciò suggerisce che esiste un senso preciso in cui i liquidi di quark densi non sono confinati mentre i liquidi nucleari lo sono.

Se la materia nucleare sia distinta dalla materia dei quark, in altre parole separata da una transizione di fase, è una vecchia questione nello studio delle interazioni forti, in particolare nella teoria della cromodinamica quantistica (QCD). Allo stesso modo, gli scienziati si sono chiesti se sia possibile o meno fornire una definizione precisa di confinamento.

Entrambe queste domande sono state esplorate in passato da una prospettiva relativamente vecchia, nota come paradigma di Landau per le transizioni di fase. Le considerazioni sul paradigma di Landau suggeriscono che la materia nucleare e quella dei quark non sono distinte. Ciò implica anche che il confinamento non può essere definito nettamente nella QCD.

Questo lavoro mette in discussione queste conclusioni adottando una nuova serie di strumenti scoperti dai fisici negli ultimi 40 anni. Questi strumenti rilevano le transizioni topologiche nei materiali che non rientrano nel paradigma precedente. Quando applicati allo studio della QCD, rivelano che la materia dei quark e la materia nucleare sono distinte. Per differenziare la materia dei quark dalla materia nucleare, gli scienziati devono confrontare le proprietà dei vortici nei due casi. Un semplice calcolo rivela che il vortice nella materia dei quark intrappola un campo magnetico di colore che è assente nella materia nucleare. Questo risultato suggerisce anche che il confinamento può essere definito rigorosamente nella QCD densa.

Ulteriori informazioni: Aleksey Cherman et al, I vortici nei superfluidi con spin 0 trasportano il flusso magnetico, Revisione fisica B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.107.024502

Informazioni sul giornale: Revisione fisica B

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