Цветная сверхпроводимость — это явление, при котором материя переносит цветовой заряд без потерь, аналогично тому, как обычные сверхпроводники могут переносить электрический заряд без потерь. Цветная сверхпроводимость, как предсказывают, возникает в кварковой материи , если плотность барионов достаточно высока (т. е. значительно выше плотности и энергии атомного ядра), а температура не слишком высока (значительно ниже 10 12 кельвинов). Цветные сверхпроводящие фазы следует противопоставлять нормальной фазе кварковой материи, которая представляет собой просто слабо взаимодействующую ферми-жидкость кварков.
В теоретических терминах фаза цветной сверхпроводимости — это состояние, в котором кварки вблизи поверхности Ферми становятся коррелированными в куперовские пары , которые конденсируются. В феноменологических терминах фаза цветной сверхпроводимости нарушает некоторые симметрии базовой теории и имеет совершенно другой спектр возбуждений и совершенно другие транспортные свойства по сравнению с нормальной фазой.
Хорошо известно, что при низкой температуре многие металлы становятся сверхпроводниками . Металл можно рассматривать отчасти как ферми-жидкость электронов, и ниже критической температуры притягивающее фононное взаимодействие между электронами вблизи поверхности Ферми заставляет их объединяться в пары и образовывать конденсат куперовских пар, который через механизм Андерсона-Хиггса делает фотон массивным, что приводит к характерному поведению сверхпроводника: бесконечной проводимости и исключению магнитных полей ( эффект Мейсснера ). Решающими ингредиентами для этого являются:
Эти ингредиенты также присутствуют в достаточно плотной кварковой материи, что позволяет физикам ожидать, что в этом контексте произойдет нечто подобное:
Тот факт, что куперовская пара кварков несет чистый цветовой заряд, а также чистый электрический заряд, означает, что некоторые из глюонов (которые опосредуют сильное взаимодействие так же, как фотоны опосредуют электромагнетизм) становятся массивными в фазе с конденсатом кварковых куперовских пар, поэтому такая фаза называется «цветным сверхпроводником». На самом деле, во многих фазах цветной сверхпроводимости сам фотон не становится массивным, а смешивается с одним из глюонов, давая новый безмассовый «повернутый фотон». Это эхо в масштабе МэВ смешивания гиперзаряда и W 3 бозонов, которое изначально дало фотон в масштабе ТэВ нарушения электрослабой симметрии.
В отличие от электрического сверхпроводника, цветная сверхпроводящая кварковая материя существует во многих разновидностях, каждая из которых является отдельной фазой материи. Это связано с тем, что кварки, в отличие от электронов, существуют во многих видах. Существует три разных цвета (красный, зеленый, синий), а в ядре компактной звезды мы ожидаем три разных аромата (верхний, нижний, странный), что в общей сложности составляет девять видов. Таким образом, при формировании пар Купера существует матрица цвета-аромата 9×9 возможных моделей спаривания. Различия между этими моделями физически очень значимы: разные модели нарушают разные симметрии базовой теории, что приводит к разным спектрам возбуждения и разным транспортным свойствам.
Очень трудно предсказать, какие модели спаривания будут предпочтительными в природе. В принципе, этот вопрос можно решить с помощью расчета КХД, поскольку КХД — это теория, которая полностью описывает сильное взаимодействие. В пределе бесконечной плотности, где сильное взаимодействие становится слабым из-за асимптотической свободы , можно выполнять контролируемые вычисления, и известно, что предпочтительной фазой в трехароматной кварковой материи является фаза с блокировкой цвета-аромата . Но при плотностях, которые существуют в природе, эти вычисления ненадежны, и единственной известной альтернативой является вычислительный подход грубой силы решеточной КХД , который, к сожалению, имеет техническую сложность (« проблема знаков »), что делает его бесполезным для вычислений при высокой плотности кварков и низкой температуре.
В настоящее время физики занимаются следующими направлениями исследований цветной сверхпроводимости:
Единственное известное место во Вселенной, где плотность барионов может быть достаточно высокой для создания кварковой материи, а температура достаточно низкой для возникновения цветовой сверхпроводимости, — это ядро компактной звезды (часто называемой « нейтронной звездой », термин, который предрешает вопрос о ее фактическом составе). Здесь есть много открытых вопросов:
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )