量子漩涡的启示：夸克和核子液体的“独特舞姿”

中子星内部的物质可以有不同的形式：核子致密液体或夸克致密液体。最新研究发现，在中子星中，夸克液体与核子液体有着本质区别，其涡旋中独特的颜色磁场就是证明。这一发现挑战了量子色动力学以前的观点，并为了解束缚的本质提供了新的视角。

左边表示核物质，右边表示夸克物质。问号暗指这些液体能否以理论上严格的方式加以区分。图片来源：爱荷华州立大学现代物理研究所和 Srimoyee Sen

中子星物质科学

原子核由核子（如质子和中子）组成，而核子本身又由夸克组成。当原子核在高密度下粉碎时，会溶解成核子液体，而在更高密度下，核子本身也会溶解成夸克液体。在这项研究中，研究人员探讨了核子液体和夸克液体是否有本质区别的问题。他们的理论计算表明，这些液体是不同的。这两种液体在旋转时都会产生旋涡，但在夸克液体中，旋涡会携带一种"彩色磁场"，类似于普通磁场。而在核子液体中则没有这种效应。因此，这些旋涡使夸克液体与核子液体截然不同。

夸克液体和核子液体的影响

原子核内的夸克和核子通过强核力相互作用。这种力有一个有趣的特性，即"约束"。这意味着科学家只能观察到结合在一起的夸克群，而无法观察到单独的夸克。换句话说，夸克被称为"束缚"。使用理论工具来描述或精确定义"束缚"也很困难。这项研究利用涡旋特性来区分夸克液体和核子液体，解决了这个长期存在的问题。它表明，在某种精确意义上，致密夸克液体不具有束缚性，而核子液体具有束缚性。

挑战传统理论

核物质是否有别于夸克物质，换句话说，是否存在相变，是强相互作用研究，特别是量子色动力学（QCD）理论中的一个老问题。同样，科学家们还提出了是否有可能为禁闭提供一个明确的定义的问题。过去，人们从一个相对古老的角度对这两个问题进行了探讨，这个角度被称为相变的朗道范式。朗道范式认为，核物质和夸克物质并不截然不同。这也意味着在 QCD 中无法明确定义约束。

这项研究通过采用物理学家在过去 40 年中发现的一套新工具，对这些结论提出了挑战。这些工具可以检测到材料中的拓扑转变，而这些转变并不符合以前的范式。当应用于 QCD 研究时，它们揭示了夸克物质和核物质是截然不同的。要区分夸克物质和核物质，科学家必须比较两种情况下的涡旋特性。简单的计算显示，夸克物质中的旋涡捕获了核物质中不存在的色磁场。这一结果还表明，可以在致密 QCD 中严格定义束缚。

参考文献

《基本表征物质的希格斯约束相变》，作者：阿列克谢-切尔曼、西奥多-雅各布森、斯里莫伊-森和劳伦斯-G-亚夫，2020 年 11 月 24 日，《物理评论 D》。

DOI: 10.1103/PhysRevD.102.105021

《自旋-0 超流体中的旋涡携带磁通量》，作者：Aleksey Cherman、Theodore Jacobson、Srimoyee Sen 和 Laurence G. Yaffe，2023 年 1 月 5 日，《物理评论 B》。

DOI: 10.1103/PhysRevB.107.024502

本研究得到了美国能源部科学办公室、核物理办公室及其量子地平线计划的支持。

编译来源：ScitechDaily