Représentation de la matière nucléaire à gauche et de la matière quark à droite. Le point d’interrogation fait allusion à la question de savoir si ces liquides peuvent être distingués d’une manière théoriquement rigoureuse. Crédit : Institut de physique moderne et Srimoyee Sen, Iowa State University
La matière à l’intérieur des étoiles à neutrons peut avoir différentes formes : un liquide dense de nucléons ou un liquide dense de quarks.
Des études récentes révèlent que dans les étoiles à neutrons, les liquides de quarks sont fondamentalement différents des liquides de nucléons, comme en témoigne le champ magnétique de couleur unique dans leurs vortex. Cette découverte remet en question les croyances antérieures en chromodynamique quantique et offre de nouvelles perspectives sur la nature du confinement.
La science de la matière des étoiles à neutrons
Les noyaux atomiques sont constitués de nucléons (comme les protons et les neutrons), eux-mêmes constitués de quarks. Lorsqu’ils sont broyés à des densités élevées, les noyaux se dissolvent dans un liquide de nucléons et, à des densités encore plus élevées, les nucléons eux-mêmes se dissolvent dans un liquide de quarks. Dans cette étude, les chercheurs se sont demandé si les liquides des nucléons et des quarks étaient fondamentalement différents. Leurs calculs théoriques suggèrent que ces liquides sont différents. Les deux types de liquides produisent des vortex lorsqu’ils tournent, mais dans les liquides de quarks, les vortex transportent un « champ magnétique de couleur », semblable à un champ magnétique ordinaire. Un tel effet n’existe pas dans les liquides nucléiques. Ainsi, ces vortex distinguent nettement les liquides de quarks des liquides nucléaires.
L’impact des liquides de quarks et de nucléons
Les quarks et les nucléons à l’intérieur des noyaux interagissent les uns avec les autres via la forte force nucléaire. Cette force possède une propriété intrigante connue sous le nom de confinement. Cela signifie que les scientifiques ne peuvent observer que des groupes de quarks liés entre eux, mais jamais un quark individuel. En d’autres termes, les quarks sont dits « confinés ». Il est également difficile de décrire le confinement, voire de le définir précisément à l’aide d’outils théoriques. Ces travaux, utilisant les propriétés des vortex pour distinguer les liquides de quarks des liquides de nucléons, abordent ce problème de longue date. Cela suggère qu’il existe un sens précis dans lequel les liquides de quarks denses ne sont pas confinants alors que les liquides nucléaires le sont.
Remettre en question les théories traditionnelles
La question de savoir si la matière nucléaire est distincte de la matière des quarks, c’est-à-dire séparée par 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 ou non de donner une définition précise du confinement. Ces deux questions ont été explorées dans le passé dans une perspective relativement ancienne, connue sous le nom de paradigme de Landau pour les transitions de phase. Les considérations du paradigme de Landau suggèrent que la matière nucléaire et la matière quark ne sont pas distinctes. Cela implique également que le confinement ne peut pas être clairement défini dans la QCD.
Ce travail remet en question ces conclusions en adoptant un nouvel ensemble d’outils découverts par les physiciens au cours des 40 dernières années. Ces outils détectent les transitions topologiques dans les matériaux qui ne correspondent pas à l’ancien paradigme. Appliqués à l’étude de la CDQ, ils révèlent que la matière des quarks et la matière nucléaire sont distinctes. Pour différencier la matière quark de la matière nucléaire, les scientifiques doivent comparer les propriétés des vortex dans les deux cas. Un simple calcul révèle que le vortex dans la matière des quarks piège un champ magnétique coloré absent dans la matière nucléaire. Ce résultat suggère également que le confinement peut être rigoureusement défini dans une QCD dense.
Cette recherche a été soutenue par le Bureau des sciences du Département de l’énergie, le Bureau de physique nucléaire et son programme Quantum Horizons.
