科学家用二维凝聚态物理学揭开中子星的秘密

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布鲁克海文国家实验室的科学家利用二维凝聚态物理学来理解中子星中的夸克相互作用，简化了对这些最致密的宇宙实体的研究。 这项工作有助于描述致密核物质中的低能激发，并可能揭示极端密度的新现象，推动中子星研究以及与重离子碰撞比较的进展。

在致密核物质中，夸克“排列”成一维的，对单维度加时间的计算可以追踪低能量激发如何穿过核物质 图片来源：布鲁克海文国家实验室

核物质（包括构成原子核的质子和中子的夸克和胶子）的行为极其复杂，在我们这个三维世界中尤其如此。 来自凝聚态物理学的数学技术仅考虑一个空间维度（加上时间）的相互作用，极大地简化了这一挑战。 利用这种二维方法，科学家们解决了描述低能激发如何在致密核物质系统中产生涟漪的复杂方程。 这项工作表明，自然界中存在如此致密核物质的中子星中心可能会以一种意想不到的形式来描述。

能够理解二维夸克相互作用为理解中子星（宇宙中最稠密的物质形式）打开了一扇新的窗口。 这种方法可以帮助推进当前研究这些奇异恒星的“黄金时代”。 研究成功的激增是由宇宙中引力波和电磁发射的最新发现引发的。 这项工作表明，对于低能量激发，三维夸克相互作用的所有复杂性都会消失。 这些低能激发是中子星发射辐射或其自身旋转磁场引发的轻微扰动。 这种方法还可以与重离子碰撞中产生的密度较低但温度更高的核物质中的夸克相互作用进行新的比较。

现代原子核理论，称为量子色动力学涉及受强核力束缚的夸克，这种由胶子携带的力将夸克限制在核子（质子和中子）中。 当核物质的密度增加时，就像中子星内部一样，致密系统的行为更像是夸克团，各个核子之间没有清晰的边界。 在这种状态下，系统边缘的夸克仍然受到强力的限制，因为球形系统一侧的夸克与另一侧的夸克相互作用强烈。

布鲁克海文国家实验室研究人员的这项工作利用这种强相互作用的一维性质以及时间维度来解决系统边缘附近低能量激发的行为。 这些低能量模式就像自由、无质量的玻色子的模式一样——在凝聚态物质中被称为“路廷格液体”。 这种方法允许科学家计算任意给定密度下的路廷格液体的参数。 它将提高他们探索预计在中子星内极端密度下发生的定性新现象的能力，其中核物质的行为与普通核中的完全不同，并将其与中子星中产生的更热（万亿度）的致密核物质进行比较。