Das Verhalten der Kernmaterie – einschließlich der Quarks und Gluonen, aus denen die Protonen und Neutronen der Atomkerne bestehen – zu verstehen, ist äußerst kompliziert. Dies gilt insbesondere für unsere Welt, die dreidimensional ist. Mathematische Techniken aus der Physik der kondensierten Materie, die Wechselwirkungen in nur einer räumlichen Dimension (plus Zeit) berücksichtigen, vereinfachen die Herausforderung erheblich.
Mit diesem zweidimensionalen Ansatz lösten Wissenschaftler die komplexen Gleichungen, die beschreiben, wie sich niederenergetische Anregungen durch ein System dichter Kernmaterie bewegen. Diese Arbeit weist darauf hin, dass das Zentrum von Neutronensternen, in dem in der Natur solch dichte Kernmaterie existiert, möglicherweise durch eine unerwartete Form beschrieben wird.
Die Fähigkeit, die Quark-Wechselwirkungen in zwei Dimensionen zu verstehen, eröffnet ein neues Fenster zum Verständnis von Neutronensternen, der dichtesten Form der Materie im Universum. Der Ansatz könnte dazu beitragen, das derzeitige „goldene Zeitalter“ für die Erforschung dieser exotischen Sterne voranzutreiben. Auslöser für diesen sprunghaften Forschungserfolg waren die jüngsten Entdeckungen von Gravitationswellen und elektromagnetischen Emissionen im Kosmos.
Diese Arbeit zeigt, dass bei niederenergetischen Anregungen alle Komplikationen der dreidimensionalen Quark-Wechselwirkungen wegfallen. Bei diesen niederenergetischen Anregungen handelt es sich um leichte Störungen, die durch die Strahlung eines Neutronensterns oder durch seine eigenen rotierenden Magnetfelder ausgelöst werden. Dieser Ansatz könnte auch neue Vergleiche mit Quark-Wechselwirkungen in weniger dichter, aber viel heißerer Kernmaterie ermöglichen, die bei Schwerionenkollisionen entsteht.
Die moderne Kerntheorie, bekannt als Quantenchromodynamik, geht von Quarks aus, die durch die starke Kernkraft gebunden sind. Diese von Gluonen getragene Kraft hält Quarks in Nukleonen (Protonen und Neutronen) fest.
Wenn die Dichte der Kernmaterie zunimmt, wie es im Inneren von Neutronensternen der Fall ist, verhält sich das dichte System eher wie eine Masse von Quarks, ohne scharfe Grenzen zwischen einzelnen Nukleonen. In diesem Zustand werden Quarks am Rand des Systems immer noch durch die starke Kraft eingesperrt, da Quarks auf einer Seite des kugelförmigen Systems stark mit Quarks auf der gegenüberliegenden Seite interagieren.
Diese Arbeit von Forschern des Brookhaven National Laboratory nutzt die eindimensionale Natur dieser starken Wechselwirkung sowie die Dimension der Zeit, um das Verhalten von Anregungen mit niedriger Energie in der Nähe des Randes des Systems zu ermitteln. Diese Niederenergiemodi ähneln denen eines freien, masselosen Bosons – das in kondensierter Materie als „Luttinger-Flüssigkeit“ bekannt ist.
Mit dieser Methode können Wissenschaftler die Parameter einer Luttinger-Flüssigkeit bei jeder gegebenen Dichte berechnen. Es wird ihre Fähigkeit verbessern, qualitativ neue Phänomene zu erforschen, die voraussichtlich bei den extremen Dichten in Neutronensternen auftreten, wo sich Kernmaterie ganz anders verhält als in gewöhnlichen Kernen, und sie mit viel heißerer (Billionen Grad) dichter Kernmaterie zu vergleichen, die in erzeugt wird Schwerionenkollisionen.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Untersuchung D.
Mehr Informationen:
Marton Lajer et al.: Wenn kalte, dichte Quarks in den Dimensionen 1+1 und 3+1 keine Fermi-Flüssigkeit sind, Körperliche Untersuchung D (2022). DOI: 10.1103/PhysRevD.105.054035