中子星內部的物質可以有不同的形式：核子緻密液體或夸克緻密液體。最新研究發現，在中子星中，夸克液體與核子液體有著本質區別，其渦旋中獨特的顏色磁場就是證明。這項發現挑戰了量子色動力學先前的觀點，並為了解束縛的本質提供了新的視角。

左邊表示核物質，右邊表示夸克物質。問號暗指這些液體能否以理論上嚴格的方式加以區分。圖片來源：愛荷華州立大學現代物理研究所和Srimoyee Sen

中子星物質科學

原子核由核子（如質子和中子）組成，而核子本身又由夸克組成。當原子核在高密度下粉碎時，會溶解成核子液體，而在更高密度下，核子本身也會溶解成夸克液體。在這項研究中，研究人員探討了核子液體和夸克液體是否有本質差異的問題。他們的理論計算表明，這些液體是不同的。這兩種液體在旋轉時都會產生旋渦，但在夸克液體中，旋渦會攜帶一種”彩色磁場”，類似於普通磁場。而在核子液體中則沒有這種效應。因此，這些旋渦使夸克液體與核子液體截然不同。

夸克液體和核子液體的影響

原子核內的夸克和核子透過強核力相互作用。這種力有一個有趣的特性，即”約束”。這意味著科學家只能觀察到結合在一起的夸克群，而無法觀察到單獨的夸克。換句話說，夸克被稱為”束縛”。使用理論工具來描述或精確定義”束縛”也很困難。這項研究利用渦旋特性來區分夸克液體和核子液體，解決了這個長期存在的問題。它表明，在某種精確意義上，緻密夸克液體不具有束縛性，而核子液體具有束縛性。

挑戰傳統理論

核物質是否有別於夸克物質，換句話說，是否存在相變，是強相互作用研究，特別是量子色動力學（QCD）理論中的一個老問題。同樣，科學家也提出了是否有可能為禁閉提供一個明確的定義的問題。過去，人們從一個相對古老的角度對這兩個問題進行了探討，這個角度被稱為相變的朗道範式。朗道範式認為，核物質和夸克物質並不截然不同。這也意味著在QCD 中無法明確定義約束。

這項研究透過採用物理學家在過去40 年中發現的一套新工具，對這些結論提出了挑戰。這些工具可以偵測到材料中的拓樸轉變，而這些轉變並不符合先前的範式。當應用於QCD 研究時，它們揭示了夸克物質和核物質是截然不同的。要區分夸克物質和核物質，科學家必須比較兩種情況下的渦旋特性。簡單的計算顯示，夸克物質中的旋渦捕獲了核物質中不存在的色磁場。這一結果也表明，可以在緻密QCD 中嚴格定義束縛。

參考文獻

《基本表徵物質的希格斯約束相變》，作者：阿列克謝-切爾曼、西奧多-雅各布森、斯里莫伊-森和勞倫斯-G-亞夫，2020 年11月24 日，《物理評論D》。

DOI: 10.1103/PhysRevD.102.105021

《自旋-0 超流體中的旋渦攜帶磁通量》，作者：Aleksey Cherman、Theodore Jacobson、Srimoyee Sen 和Laurence G. Yaffe，2023 年1 月5 日，《物理評論B》。

DOI: 10.1103/PhysRevB.107.024502

本研究得到了美國能源部科學辦公室、核子物理辦公室及其量子地平線計畫的支持。

編譯來源：ScitechDaily