Supercondutividade colorida

Supercondutividade colorida é um fenômeno que é previsto ocorrer em matéria quark se a densidade de bárion é suficientemente alta (bem acima da densidade nuclear) e a temperatura não é demasiadamente alta (bem abaixo de 10¹² Kelvin's). Fases de supercondutividade colorida são contratantes com a fase normal da matéria quark, a qual é só um líquido de Fermi de quarks com interações fracas.

Em termos teóricos, uma fase de supercondutividade colorida é um estado no qual os quarks próximos à superfície de Fermi tornam-se relacionados em pares de Cooper, os quais condensam-se. Em termos fenomenológicos, uma fase de supercondutividade colorida quebra algumas das simetrias da teoria subjacente, e tem um muito diverso espectro de excitações e muitas diferentes propriedades de transporte da fase normal.

Descrição

Analogia com metais supercondutores

À baixa temperatura, muitos metais tornam-se supercondutores. Um metal pode se visto como um líquido de Fermi de elétrons, e abaixo de uma temperatura crítica, uma interação atrativa mediada por um Fônon entre os elétrons próximos à superfície de Fermi causa-lhes a formação de pares e forma um condensado de pares de Cooper, os quais via o mecanismo de Anderson-Higgs faz o fônon massivo, conduzindo a comportamento característicos de um supercondutor; condutividade infinita e a exclusão de campos magnéticos (efeito Meissner). Os ingredientes cruciais para isto ocorrer são:

um líquido de férmions carregados
uma interação atrativa entre os férmions
baixa temperatura (abaixo da temperatura crítica)

Estes ingredientes estão também presentes em matéria quark suficientemente densa, levando físicos a esperar que alguma coisa similar aconteça neste contexto:

quarks carreguem tanto carga elétrica quanto carga colorida;
a interação forte entre dois quarks é fortemente atrativa;
a temperatura crítica é esperada em se situar na escala da QCD, a qual é da ordem de 100 MeV, ou 10¹² kelvins, a temperatura do universo poucos minutos após o big bang, então matéria quark que nós podemos atualmente observar em estrelas compactas ou outras disposições naturais irá estar abaixo desta temperatura.

O fato que um par de Cooper de quarks transporte um padrão de carga de cor, assim como um padrão de carga elétrica, significa que os glúons (os quais mediam a interação forte como os fótons mediam o eletromagnetismo) torne-se único em uma fase com um condensado de pares de Cooper de quarks, então tal fase é chamada um "supercondutor de cor". Atualmente, em muitas fases supercondutoras de cor o fóton em si não se torna massivo, mas mistura-se com um dos glúons para tornar-se um novo "fóton em rotação" sem massa. Isto em uma escala de MeV relembra a mistura de hipercarga e W₃ bósons que originalmente produziram o fóton na escala de TeV da quebra da simetria eletrofraca.

Diversidade de fases de supercondutividade colorida

Diferentemente de um supercondutor elétrico, a matéria quark supercondutora apresenta-se em muitas variedades, cada uma das quais está em uma fase separada de matéria. Isto é porque os quarks, diferentemente dos elétrons, apresentam-se em muitas espécies. Há três diferentes cores (vermelho, verde, azul) e no núcleo de uma estrela compacta prevê-se três diferentes "sabores" (acima, abaixo, estranho), perfazendo nove espécies no todo. Então formando pares de Cooper há uma matriz $9\times 9$ cor-"sabor" de possíveis padrões de pares. As diferenças entre estes padrões são muito fisicamente significantes: diferentes padrões quebram diferentes simetrias da teoria básica, conduzindo a diferentes espectros de excitação e diferentes propriedades de transporte.

É muito difícil predizer quais padrões de pares irão ser favorecidos na natureza. Em princípio esta questão deveria ser respondida por cálculos em QCD, já que QCD é a teoria que amplamente descreve a interação forte. No limite de densidade infinita, onde a interação forte torna-se fraca devido à liberdade assintótica, cálculos controlados podem ser realizados, e é sabido que a fase favorecida de matéria quark de três "sabores" é a fase "chaveada cor-sabor". Mas em densidades que existem na natureza estes cálculos são irrealizáveis, e a única alternativa conhecida é a aproximação computacional por "força bruta" de retículo QCD, o qual infelizmente tem uma dificuldade técnica (o "problema do sinal") que resulta inútil para cálculos a alta densidade de quark e baixa temperatura.

Ocorrência na natureza

História

Referências

Guenault, Tony (2003). Basic superfluids. [S.l.]: Taylor & Francis. ISBN 0-7484-0892-4
University of Colorado (January 28, 2004). NIST/University of Colorado Scientists Create New Form of Matter: A Fermionic Condensate. Press Release.
Rodgers, Peter & Dumé, Bell (January 28, 2004). Fermionic condensate makes its debut. PhysicWeb.

Leitura adicional

Artigos populares:

S. Hands, "The phase diagram of QCD", Contemp. Phys. 42, 209 (2001)
J. Cheyne, G. Cowan, M. Alford, "Superconducting quarks", PPARC Frontiers 21, 16 (2004)

Revisões técnicas:

K. Rajagopal and F. Wilczek, "The condensed matter physics of QCD", arXiv.org:hep-ph/0011333
M. Alford, "Color superconducting quark matter", Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 51, 131 (2001)
G. Nardulli, "Effective description of QCD at very high densities", Riv. Nuovo Cim. 25N3, 1 (2002)
T. Schafer, "Quark matter", arxiv.org:hep-ph/0304281
D. Rischke, "The quark-gluon plasma in equilibrium", Prog. Part. Nucl. Phys. 52, 197 (2004)
S. Reddy, "Novel phases at high density and their roles in the structure and evolution of neutron stars", Acta Phys. Polon. B 33, 4101 (2002)
I. Shovkovy, Two lectures on color superconductivity, Found.Phys. 35 (2005) 1309-1358, online version