Los cálculos apuntan a estrellas de quarks masivas

Estrellas de quarks
¿Son las estrellas de quarks más grandes de lo que pensamos?

Para una estrella grande, la muerte es un poco apretada. Una vez que se agota su combustible nuclear, su núcleo colapsa, estallando en una dramática explosión de supernova que expulsa todas sus capas exteriores. El cuerpo que queda es una esfera fría y fuertemente compactada conocida como estrella de neutrones, la cual, si es lo bastante masiva, hace el colapso final hacia un agujero negro.

Las enormes presiones dentro de las estrellas de neutrones indican que los electrones y protones se han unido por lo que sólo quedan los neutrones. Cerca del centro, de acuerdo con la teoría, estos neutrones a veces se descomponen en un mar de quarks, o la conocida como materia de quarks extraña. Una reciente teoría implica que esta matería podría formar un estado base estable de materia nuclear – sugiriendo la existencia de “estrellas de quarks” autónomas.

Las pruebas para las estrellas de quarks son escasas, con apenas un puñado de candidatas observadas. Aún así, unos nuevos cálculos de un grupo internacional de teóricos dibujan una mejor descripción de la naturaleza de las estrellas de quarks, y sugieren que podría ser más fácil observarlas de lo que se pensaba anteriormente. “La conclusión principal de nuestro trabajo es que hay una firma clara para la posible detección de estrellas de quarks – y por tanto de esta materia de quarks extraña estable”, dice el autor Aleksi Vuorinen de la Universidad de Bielefeld en Alemania.

Aplicando la Teoría de la Perturbación

Vuorinen unió fuerzas con Aleksi Kurkela del ETH Zurich en Suiza y Paul Romatschke de la Universidad de Washington en Seattle para examinar cómo la presión de la materia de quarks extraña depende de su densidad – una relación descrita por la “ecuación de estado” de la estrella. Los físicos han buscado esto anteriormente, pero sólo usando modelos de interacciones de quarks muy simplificados. En lugar de esto, el grupo de Vuorinen ha empleado la Teoría de la Perturbación – una técnica que aproxima soluciones matemáticas de una forma escalonada, lo cual globalmente es mucho más preciso.

El resultado puede sorprender a otros físicos. La idea actual es que las estrellas de quarks deberían ser más pequeñas que las estrellas de neutrones, y que las estrellas compactas por encima de cierto tamaño – normalmente aproximadamente el doble de la masa del Sol – deben ser estrellas de neutrones puras sin un núcleo de quarks. No obstante, el grupo de Vuorinen concluye casi lo contrario: que las estrellas de quarks más grandes pueden ser mayores que las estrellas de neutrones, tal vez hasta de 2,5 masas solares. En otras palabras, como señala Vuorinen, la detección de una estrella compacta con una masa cercana a ese límite sería una “fuerte indicación” de una estrella de quarks.

Tal detección sería de un gran interés para los astrofísicos, debido a que abriría una ventana a las propiedades de la materia de quarks extraña. Al contrario que la materia de quarks caliente, o “plasma de quark-gluón”, que puede estudiarse en los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, la materia de quarks extraña es imposible de recrear en el laboratorio actualmente.

Conclusiones controvertidas

Thomas Schaefer, físico de quarks en la Universidad Estatal de Carolina del Norte en los Estados Unidos, cree que es un “artículo muy interesante”, incluso aunque dice que algunas de las conclusiones serán controvertidas. “En realidad tiendo a concordar con lo que dicen los autores [sobre el tamaño potencial de las estrellas de quarks]“, añade.

Pero otros no están tan seguros. Mark Alfordat de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, señala que la Teoría de la Perturbación usada por el grupo de Vuorinen sólo es realmente precisa cuando los quarks son millones de veces más densos que en las verdaderas estrellas de neutrones. “Cuando hablan sobre las estrellas de neutrones, están extrapolando sus cálculos a una región en la que no son fiables”, dice. “No obstante, hay una mejora en lo que había antes disponible…este artículo realmente es un paso adelante”.

El estudio está disponible como borrador en arXiv.


Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 15 de enero de 2010
Enlace Original

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Comments (4)

  1. y eso que un quark compone a un proton y neutro y su estrella seria mas grande ~.~
    que estraño.

  2. Está cñaro que el tema que aquí se toca es del máximop interés y, de comprobarse la existencia de la materia extraña que conforma estrellas de quarks, habría que añadir otro tipo de fenómeno cosmológico en la lista de las transiciones de fase que se producen desdepués de la muerte de una estrella masiva: enana blanca, estrella de Neutrones y Agujero Negro. Claro que, habría que asegurarse de que la…

    ESTABILIDAD DE LA MATERIA EXTRAÑA, HACE POSIBLE LAS ESTRELLAS DE QUARKS.

    La Hipótesis de estrella de Quarks (EQs) podrían responder a muchos interrogantes surgidos a partir de observaciones astrofísicas que no coinciden con los modelos canónicos teóricos de las Estrellas de Neutrones ( ENs ). Decimos que son hipotéticas porque se conjetura que estarían formadas por Materia Extraña ( ME ). La comunidad astrofísica espera evidencias observacionales que permitan diferenciarlas de las ENs, ya que podrían explicar un conjunto de observaciones astronómicas que aún resultan una incógnita. Es sabido que una EN es el remanente del colapso de una estrella masiva. El colapso de la estrella, la supernova, da lugar a un núcleo compacto hiperdenso de hierro y otros metales pesados que sigue comprimiéndose y calentándose. Su densidad continúa aumentando, dando lugar a una “ neutronización “ ( recombinación de electrones con protones que resultan en neutrones ) y el gas degenerado de neutrones frena el colapso del remanente.

    Una EQ, a diferencia de una EN, no se originaría necesariamente de una evolución estelar después del agotamiento del combustible nuclear de una estrella normal. Sería, probablemente, producto de la transición de fase hadrón-quark a altísima densidad. La Cromodinámica Cuántica ( CDC ), la Teoría de las Interacciones Fuertes que ocurren dentro de los nucleones ( protones y neutrones ), concibe teóricamente la idea de la transición de fase hadrón-quark a temperaturas y/ o densidades extremadamente altas con el consecuente desconfinamiento de quarks y gluones, que fomarían una especie de “ sopa “. Sin embargo, los quarks libres no se han encontrado aún, en uno u otro límite, en ningún experimento terrestre.

    La “ sopa “ que mencionamos antes, se conoce como Plasma Quark-Gluón ( PQG ). En el límite de altas temperaturas, el PQG está tratando de obtenerse en el laboratorio y existen fuertes indicios de que se logre con éxito experimentos de altas energías como el Colisionador Relativista de Iones Pesados ( conocido por sus siglas en inglás como RHIC ) de Brookhaven, New York.

    Por otro lado, se espera que a través de observaciones astronómicas se compruebe que la transición a altas densidades se hubiese producido en el interior de alguna EN. Esto se debe a que los valores de densidades estimados para que dicha transición tuviese lugar coinciden con densidades del orden de ( 3 – 12 ) ρ0 ( siendo ρ0 ̃ 0, 17 fmˉ ³ la densidad de equilibrio nuclear ) que son típicas del interior de las ENs. Los cálculos basados en diferentes ecuaciones de estado de la materia nuclear muestran estos resultados, por lo que sería razonable que el núcleo de las ENs estuviese formado por materia de quarks.

    Recientemente, la relación entre campo magnéticos y materia densa está atrayendo la atención de los astrofísicos, especialmente después de las observaciones de emisiones peculiares de pulsares anómalos de rayos X, que se interpretan como ENs en rotación, y de emisiones de radiación γ de baja energía de los llamados repetidores de rayos γ suaves ( SGRs – soƒt gamma-ray repeaters ). El motor central de esas radiaciones podría ser un campo magnético mayor que 4 x 10¹³ Gauss, que es el campo crítico previsto por la Electrodinámica Cuántica.

    Muchas observaciones astronómicas indirectas sólo se explicarían a través de la existencia de campos magnéticos muy intensos en los núcleos de ENs en EQs, de manera que el papel que juega el campo magnético en la ME aún constituye un problema abierto y de sumo interés en la Astrofísica.

    En particular, en un trabajo reciente, se ha analizado la ME considerando neutralidad de carga, equilibrio β y conservación del número bariónico. En dicho trabajo se obtuvo una cota superior para el valor del campo magnético que determina una transición de fase cuya explicación requiere ser estudiada en profundidad ya que sería independiente de la interacción fuerte entre los quarks. También se ha comprobado que la presencia de de campos magnéticos intensos favorece la estabilidad de la ME.

    Por otro lado, estudios teóricos han demostrado que si la materia es suficientemente densa, la materia de quarks deconfinada podría estar en un estado superconductor de color. Este estado estaría formado por pares de quarks, análogos a los pares de Cooper ( constituidos por electrones ) existentes en los superconductores ordinarios.

    Los quarks, a diferencia de los electrones, poseen grados de libertad asociados con el color, el sabor y el espín. Por este motivo, dependiendo del rango de densidades en el cual estamos trabajando, algunos patrones de apareamiento pueden verse favorecidos generando la aparición de distintas fases superconductoras de color. Según estudios teóricos, la fase superconductora más favorecida a densidades extremadamente altas sería la Color Flavor Locked ( CFL ), en la cual los quarks u, d y seç poseen igual momento de Fermi, y en el apareamiento participan los tres colores y las dos proyecciones de espín de cada uno de ellos. Estudios recientes sobre la fase CFL han incluido los efectos de campos magnéticos intensos, obteniendo que bajo determinadas condiciones el gap superconductor, que corresponde a la separación entre bandas de energía en el espectro fermiónico, crece con la intensidad del campo. A esta fase se la llama Magnetic Color Flavor Locked ( MCFL ).

    En la superconductividad electromagnética usual, un campo magnético suficientemente fuerte destruye el estado superconductor. Para la superconductividad de color no existe aún un consenso de cómo, la presencia del campo magnético, podría afectar al apareamiento entre los quarks.

    En este trabajo describiremos brevemente la materia extraña, con el objetivo de explicar su formación en el interior de una EN y entender la composición y características de una EQ. Posteriormente, utilizaremos el modelo fenomenológico de bag del Massachussets Institute of T echnology ( MIT ) para encontrar las ecuaciones de estado de la ME en condiciones determinadas, comprobando la estabilidad de la misma, frente a la materia de quarks ordinaria formada sólo por quarks u y d. Presentaremos, además, algunas candidatas posibles a EQs según observaciones astrofísicas. Por último, trataremos de entender la superconductividad de color y la influencia del campo magnético intenso en las fases superconductoras.

    Materia de Quarks:

    Uno de los mayores logros alcanzados por los físicos en el último siglo, fue la construcción del Modelo Estándar en la física de partículas elementales. Este modelo sostiene que la materia en el Universo está compuesta por fermiones, divididos en quarks y leptones, que interactúan a través de los llamados bosones de calibre: el fotón ( interacción electromagnética ), los bosones W± y Zº ( interacción débil ), y 8 tipos de gluones ( interacción fuerte ). Junto con los bosones de calibre, existen tres generaciones de fermiones: ( v e, e ), u, d ); ( vµ, µ ), ( c, s ) ; ( v….); y sus respectivas antipartículas. Cada “ sabor “ de los quarks, up ( u ), down ( d ), charm ( c ), strange ( s , top ( t ) y bottom ( b), tiene tres colores ( el color y el sabor son números cuánticos ). La partícula que aún no ha sido descubierta experimentalmente es el bosón de Higgs, que cabe suponer sería responsable del origen de la masa de las partículas.

    Los quarks son los componentes fundamentales tanto de los hadrones fermiónicos ( bariones formados por la combinación de tres quarks ) como de los bosónicos ( mesones formados por un quark y un antiquark ). ES sabido que el núcleo de un átomo está compuesto por nucleones ( protones y neutrones ) que a su vez están compuestos por quarks ( protón = udd ). David Gross y Franks Wilczek y David Politzer, descubrieron teóricamente que en la CDC el acoplamiento efectivo entre los quarks disminuye a medida que la energía entre ellos aumenta ( libertad asintótica ). La elaboración de esta teoría permitió que recibieran el Premio Nobel de Física en el año 2004. En los años 60, la libertad asintótica fue comprobada expermentalmente en el acelerador lineal de Stanford ( SLAC ).

    Sin embargo, la CDC no describe completamente el deconfinamiento en un régimen de alta densidad y baja temperatura, debido a su complejidad matemática y a su naturaleza no lineal para bajas energías. No obstante, es posible recurrir a una descripción fenomenológica para intentar entender la física de la formación de la materia de quarks en las ENs. La materia de quarks, es decir, el plasma de quarks deconfinados y gluones, es una consecuencia directa de la libertad asintótica cuando la densidad bariónica o la temperatura son suficientemente altas como para considerar que los quarks son partículas más fundamentales que los neutrones o protones. Esta materia, entonces, dependiendo de la temperatura y del potencial químico (µ ) de los quarks, aparecería esencialmente en dos regímenes. Uno de ellos, el PQG, constituiría la fase “ caliente “ de la materia de quarks cuando T >…

    Creo que hacerlo más largo sería aburrir al personal, así que lo dejo aquí pero, el tema es fascinante.

  3. edgar, cuando dice “una estrella de quarks seria más grande,” lo que quiere decir es que sería más masiva, no que tendría un radio más grande.

    El remanente de la supernova más famosa SN1987A todavía no ha sido detectado, con lo que algunos investigadores han sugerido que podría tratarse de un estrella de quarks. Es sólo una hipótesis, claro. Los interesados pueden leer C. Chan et al. “Could the compact remnant of SN 1987A be a quark star?,” Astrophys. J. 695: 732-746, 2009 (http://dx.doi.org/10.1088/0004-637X/695/1/732) y ArXiv, 4 Feb 2009 (http://arxiv.org/abs/0902.0653).

    Ciertas emisiones intensas de rayos gamma han sido achacadas a la transición durante el colapso gravitatoria de una estrella de neutrones a estrella de quarks. Los interesados pueden consultar K. S. Cheng et al., “Relativistic Mass Ejecta from Phase-transition-induced Collapse of Neutron Stars,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physic, JCAP09(2009)007, September 2009 (http://dx.doi.org/10.1088/1475-7516/2009/09/007) y ArXiv, 13 Aug 2009 (http://arxiv.org/abs/0908.1834).

  4. [...] de formación de las aún más desconcertantes y misteriosas estrellas de neutrones o de las estrellas de quarks, que tienen lugar cuando la masa de la estrella original es aún mayor que en el caso expuesto en [...]

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