Les ones gravitacionals podrien revelar la presència de quagma en les estrelles de neutrons

Quan dues estrelles de neutrons es fusionen, les pressions i temperatures assolides poden fer que quarks i gluons confinats en protons i neutrons es converteixin, a vegades, en un plasma anomenat quagma. Aquesta fase de transició produiria ones gravitacionals característiques que demostren la seva ocurrència.

Clic per engrandir. Recreació artística d'una col·lisió de dues estrelles de neutrons.
Crèdit: Dana Berry, Sky Works Digital Inc.

L’univers observable és un laboratori de física d’alta energia on la natura ens porta d’alguna manera experiències que no podem fer a la Terra ni amb dificultat. Per exemple, els astrofísics relativistes han estat intercanviant idees amb físics nuclears durant dècades per entendre millor la física de les estrelles de neutrons i els nuclis de la Terra en condicions de temperatures i pressions extremes que també prevalien al moment del Big Bang.

Per a aquests investigadors, l’obertura de l’era de l’astronomia gravitatòria, amb la detecció directa a la Terra d’ones gravitacionals per part de membres de les col·laboracions LIGO i VIRGO, va ser una gran notícia. Sens dubte, la seva emoció va arribar al seu màxim quan aquests mateixos membres van anunciar la detecció de la font GW170817, perquè es va veure ràpidament que es tractava d'una col·lisió d'estrelles de neutrons que produïa una kilonova.

 

De kilonoves a quarks

 

De fet, aquestes estrelles són transparents a les ones gravitacionals que emeten, i contenen molta informació sobre la seva estructura i composició. Molt compactes, i amb un diàmetre d’unes poques desenes de quilòmetres, són tan denses que una culleradeta del seu material pot arribar a pesar fins a uns mil milions de tones. Perquè cal descriure tant l'ús de les equacions de la relativitat general i dels models astrofísics de la relativitat -es poden trobar en el famós llibre  "Gravitation"  que el Nobel de física Kip Thorne ha co-escrit i publicat el 1973 amb els seus companys John Wheeler i Charles Misner- com els models que descriuen el que s’anomena l’equació de l’estat de la matèria nuclear. Les estrelles de neutrons es converteixen aleshores en una espècie de banc de proves a on provar la teoria de la relativitat general d’Einstein i obtenir més detalls sobre l’equació de l’estat de la matèria nuclear i la física que la determina.

 

La història de la detecció de GW170817. Podeu triar l'idioma dels subtítols a la
configuració del vídeo. © Ciència vs Cinema. 

 

En aquest cas, aquesta física es basa en la teoria dels quarks proposada independentment per George Zweig i Murray Gell-Mann el 1964. Aquesta teoria va ser completada a principis dels anys 70 per Gell-Mann i  Harald Fritzsch, mentre que les dades experimentals va començar a proporcionar proves indiscutibles de l'estructura en quarks de protons i neutrons en particular, i més generalment del que anomenen hadrons. De fet, el 1972, els dos físics van descobrir finalment les equacions de la QCD (cromodinàmica quàntica) que governa les forces nuclears entre quarks, introduint als "cosins" del fotó, els gluons.

L’any següent al 1973, Gross, Politzer i Wilczek també van descobrir la llibertat asimptòtica derivada d’aquestes equacions i implicant que les forces entre quarks només augmenten si s’intenta separar-les, tant que l’energia que s’utilitza per intentar-ho provoca la formació de nous quarks que s’uneixen ràpidament creant hadrons.

Això posarà fi als dubtes sobre la teoria dels quarks perquè, curiosament en els experiments, aquestes noves partícules no podien ser aïllades ni observades per separat com és el cas dels components dels àtoms, els electrons i els nucleons. Les col·lisions d’hadrons, suposadament constituïdes per quarks, mai no van produir més que hadrons.

Una presentació del quagma. Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la
configuració del vídeo. © Fermilab

Quarks i gluons confinats en hadrons

Tot i això, la QCD també ens diu que en un gas de protons i de neutrons comprimits i portats a una temperatura 100.000 vegades superior a la que hi ha dins del Sol, aquests nucleons encara es "fondran". El resultat serà un líquid ultra dens en què els quarks i els gluons es comportaran com si estiguessin lliures. Però tan aviat com la temperatura baixa per sota de prop de mil mil milions de graus, el plasma de quarks-gluons, de vegades anomenat quagma o QGP, es condensarà en una miríada d'hadrons generalment inestables, en la que els quarks i gluons seran confinats novament.

Els físics estudien des de fa diverses dècades quin dels quagma ha demostrat l’existència, en particular en experiments realitzats al CERN amb el LHC. D’aquesta manera, poden remuntar-se a un període de la història de l’univers observable amb una edat de menys d'una mil·lèsima de segon. Aquesta fase de la matèria encara no ha revelat tots els seus secrets i hauria de permetre’ns retrocedir més en el passat del Cosmos. Per això es compta amb l'estudi de les estrelles de neutrons.

Aquesta simulació mostra la densitat de la matèria ordinària (principalment neutrons)
en groc-vermell. Poc després de la fusió de les dues estrelles, el centre extremadament
dens es torna verd, representant la formació del plasma quark-gluó. © Lukas R. Weih
i Luciano Rezzolla (2019)

Avui (7 de maig 2020), un grup de físics de la Universitat Goethe de Frankfurt i del Frankfurt Institute for Advanced Studies acaba de publicar un article a  Physical Review Letters, que es pot consultar a arXiv, a on anuncien que han obtingut un resultat interessant pel que fa a estructures de quagma i neutrons mitjançant supercomputadors.

De fet, els investigadors van simular no només la fusió d’estrelles de neutrons i el producte de la fusió per explorar les condicions en les que una transició de fase dels hadrons podria conduir a un plasma de quarks-gluons, sinó també com aquest fenomen podria afectar l’emissió d’ones gravitacionals, acompanyant la fusió de les dues estrelles compactes fins al punt de deixar-hi una signatura.

Un dels autors de l'article, el professor Luciano Rezzolla de la Universitat de Goethe, va presentar aquests resultats: "En comparació amb simulacions anteriors, vam descobrir una nova signatura en les ones gravitacionals que és clarament més clar de detectar. Si aquesta signatura es produeix en les ones gravitacionals que rebrem de les futures fusions d’estrelles de neutrons, tindrem una prova clara de la creació de plasma de quarks-gluons a l’Univers actual”.

* Més informació publicada al blog sobre els forats negres i les ones gravitacionals.

Ho he vist aquí.