La matière à l’intérieur d’une étoile à neutrons peut prendre différentes formes : liquide dense en nucléons ou liquide dense en quarks. Les dernières recherches ont montré que dans les étoiles à neutrons, le liquide des quarks est essentiellement différent du liquide des nucléons, comme en témoigne le champ magnétique coloré unique dans son vortex. Cette découverte remet en question les visions antérieures de la chromodynamique quantique et fournit de nouvelles informations sur la nature de la liaison.

Le côté gauche représente la matière nucléaire et le côté droit représente la matière des quarks. Le point d’interrogation fait allusion à la possibilité de distinguer ces liquides d’une manière théoriquement rigoureuse. Crédit image : Institut de physique moderne de l'Université d'État de l'Iowa et SrimoyeeSen

Science de la matière des étoiles à neutrons

Les noyaux atomiques sont composés de nucléons (tels que les protons et les neutrons), eux-mêmes composés de quarks. Lorsque les noyaux atomiques sont brisés à des densités élevées, ils se dissolvent dans un liquide de nucléons, et à des densités plus élevées, les nucléons eux-mêmes se dissolvent dans un liquide de quarks. Dans cette étude, les chercheurs ont exploré la question de savoir si les liquides nucléoniques et les liquides de quarks sont fondamentalement différents. Leurs calculs théoriques ont montré que ces liquides sont différents. Les deux liquides créent des vortex lorsqu’ils tournent, mais dans les liquides de quarks, les vortex transportent un « champ magnétique coloré » similaire à un champ magnétique ordinaire. Dans les liquides nucléaires, un tel effet n’existe pas. Ces vortex rendent donc les liquides de quarks très différents des liquides de nucléons.

L'influence des liquides de quarks et des liquides de nucléons

Les quarks et les nucléons du noyau interagissent grâce à la forte force nucléaire. Cette force possède une propriété intéressante appelée « contrainte ». Cela signifie que les scientifiques ne peuvent observer que des groupes de quarks liés entre eux, et non des quarks individuels. En d’autres termes, les quarks sont dits « liés ». Il est également difficile de décrire ou de définir précisément le terme « contraignant » à l'aide d'outils théoriques. Cette étude résout ce problème de longue date en utilisant les propriétés des vortex pour distinguer les liquides de quarks des liquides nucléoniques. Cela montre que, dans un sens précis, les liquides de quarks denses ne sont pas liés, alors que les liquides nucléoniques le sont.

Remettre en question les théories traditionnelles

La question de savoir si la matière nucléaire est différente de la matière des quarks, en d'autres termes s'il existe une transition de phase, est une vieille question dans l'étude des interactions fortes, en particulier dans la théorie de la chromodynamique quantique (QCD). De même, les scientifiques se demandent s’il est possible de donner une définition claire du confinement. Dans le passé, ces deux questions ont été abordées dans une perspective relativement ancienne connue sous le nom de paradigme Landau des transitions de phase. Le paradigme de Landau soutient que la matière nucléaire et la matière des quarks ne sont pas complètement différentes. Cela signifie également que les contraintes ne peuvent pas être explicitement définies dans QCD.

Cette étude remet en question ces conclusions en utilisant un nouvel ensemble d’outils découverts par les physiciens au cours des 40 dernières années. Ces outils peuvent détecter des transitions topologiques dans des matériaux qui ne correspondent pas aux paradigmes précédents. Appliqués aux études QCD, ils révèlent que la matière des quarks et la matière nucléaire sont distinctes. Pour distinguer la matière des quarks de la matière nucléaire, les scientifiques doivent comparer les propriétés des vortex dans les deux cas. Des calculs simples montrent que les vortex dans la matière des quarks piègent des champs chromatiques qui ne sont pas présents dans la matière nucléaire. Ce résultat montre également que le confinement peut être rigoureusement défini dans une QCD dense.

Références

« Transitions de phase sous contrainte de Higgs pour les caractérisations fondamentales de la matière », auteurs : Alexei Chelman, Theodore Jacobson, Srimoi Sen et Lawrence G. Yaff, 24 novembre 2020, « Physical Review D ».

DOI:10.1103/PhysRevD.102.105021

« Les vortex transportent un flux magnétique dans les superfluides de spin 0 », par Aleksey Cherman, Theodore Jacobson, Srimoyee Sen et Laurence G. Yaffe, 5 janvier 2023, « Physical Reviews B ».

DOI:10.1103/PhysRevB.107.024502

Cette recherche a été soutenue par l’Office of Science, l’Office of Nuclear Physics du Département américain de l’énergie et son programme Quantum Horizons.

Source compilée : ScitechDaily