カラー超伝導

カラー超伝導は、従来の超伝導体が電荷を損失なく運ぶのと同様に、物質がカラー電荷を損失なく運ぶ現象です。カラー超伝導は、重粒子密度が十分に高く (つまり、原子核の密度とエネルギーをはるかに上回る)、温度が高すぎない (10 ¹²ケルビンをはるかに下回る)場合に、クォーク物質で発生すると予測されています。カラー超伝導相は、クォークのフェルミ液体として弱く相互作用するクォーク物質の通常相とは対照的です。

理論的には、カラー超伝導相は、フェルミ面近くのクォークがクーパー対に相関し、凝縮する状態です。現象論的には、カラー超伝導相は基礎理論の対称性の一部を破り、通常の相とは非常に異なる励起スペクトルと非常に異なる輸送特性を持ちます。

低温では多くの金属が超伝導体になることはよく知られています。金属は部分的には電子のフェルミ液体と見なすことができ、臨界温度以下では、フェルミ面近くの電子間のフォノン媒介引力相互作用により電子がペアになってクーパー対の凝縮体を形成し、アンダーソン・ヒッグス機構によって光子が質量を持ち、超伝導体の特徴的な動作、つまり無限の伝導性と磁場の排除（マイスナー効果）につながります。これが起こるための重要な要素は次のとおりです。

1. 荷電フェルミオンの液体。
2. フェルミオン間の引力相互作用
3. 低温（臨界温度以下）

これらの成分は十分に密度の高いクォーク物質にも存在するため、物理学者はその状況でも同様のことが起こると予想しています。

1. クォークは電荷と色荷の両方を持ちます。
2. 2つのクォーク間の強い相互作用は強力な引力である。
3. 臨界温度はQCDスケールで与えられると予想されており、これは100MeV、つまり10の^{12乗ケルビンのオーダーで、}ビッグバンから数分後の宇宙の温度である。したがって、現在コンパクトな星やその他の自然環境で観測されるクォーク物質はこの温度よりも低いだろう。

クォークのクーパー対が正味の電荷だけでなく正味のカラー電荷も運ぶという事実は、一部のグルーオン(光子が電磁気を媒介するのと同じように強い相互作用を媒介する) がクォークのクーパー対の凝縮体との相で質量を持つようになることを意味し、そのためこのような相は「カラー超伝導体」と呼ばれます。実際、多くのカラー超伝導相では光子自体は質量を持つのではなく、グルーオンの 1 つと混合して質量のない新しい「回転光子」を生成します。これは、もともと電弱対称性の破れの TeV スケールで光子を生成したハイパーチャージと W ₃ボソンの混合の MeV スケールでの反響です。

電気超伝導体とは異なり、カラー超伝導クォーク物質には多くの種類があり、それぞれが物質の別々の相です。これは、クォークが電子とは異なり、多くの種があるためです。3つの異なる色（赤、緑、青）があり、コンパクトな星の中心では3つの異なるフレーバー（アップ、ダウン、ストレンジ）が予想されるため、合計9つの種になります。したがって、クーパー対の形成には、可能なペアリングパターンの9×9カラーフレーバーマトリックスがあります。これらのパターンの違いは物理的に非常に重要です。異なるパターンは基礎理論の異なる対称性を破り、異なる励起スペクトルと異なる輸送特性につながります。

自然界でどのペアリングパターンが好まれるかを予測するのは非常に困難です。原理的には、この問題は QCD 計算によって決定できます。QCD は強い相互作用を完全に記述する理論だからです。漸近的自由度のために強い相互作用が弱くなる無限密度の極限では、制御された計算を実行でき、3 フレーバーのクォーク物質で好まれる相はカラー フレーバー固定相であることがわかっています。しかし、自然界に存在する密度ではこれらの計算は信頼できず、唯一の既知の代替手段は格子 QCDの力ずくの計算アプローチですが、残念ながら、このアプローチには技術的な難しさ (「符号問題」) があり、高クォーク密度および低温での計算には役に立ちません。

物理学者は現在、カラー超伝導に関して以下の研究を進めています。

• 無限密度限界で計算を実行し、状態図の一方の端での動作について理解します。
• 高度に単純化された QCD モデルであるNambu-Jona-Lasinio (NJL) モデルを使用して、中密度までの相構造の計算を実行します。このモデルは制御された近似ではありませんが、半定量的な洞察が得られることが期待されます。
• 特定の相の励起に関する有効な理論を記述し、それを使用してその相の物理的特性を計算します。
• NJL モデルまたは有効理論を使用して天体物理学的計算を実行し、自然界（つまり、コンパクトな星：次のセクションを参照）に特定の色の超伝導相が存在することを確認または除外できる観測可能なシグネチャがあるかどうかを確認します。

宇宙で、重粒子密度がクォーク物質を生成するのに十分高く、かつ温度がカラー超伝導が発生するのに十分低い可能性がある唯一の既知の場所は、コンパクトな星（「中性子星」と呼ばれることが多いが、この用語はその実際の構成に関する疑問を先入観で判断する）の中心核である。ここでは多くの未解決の疑問がある。

• 核物質から何らかの形のクォーク物質への相転移が起こる臨界密度は不明であるため、コンパクトな星にクォーク物質の核があるかどうかは不明です。
• 反対に極端な場合、核物質全体が実際には準安定であり、クォーク物質に崩壊すると考えられます (「安定したストレンジ物質仮説」)。この場合、コンパクトな星は表面に至るまで完全にクォーク物質で構成されます。
• コンパクトな星にクォーク物質が含まれていると仮定すると、そのクォーク物質がカラー超伝導相にあるかどうかはわかりません。無限の密度ではカラー超伝導が予想され、支配的な強いクォーク間相互作用の引力特性により、より低い密度までカラー超伝導が維持されると予想されますが、強く結合した相（たとえば、空間的に結合したジクォークまたはヘキサクォークのボーズ・アインシュタイン凝縮）への遷移がある可能性があります。

• QCD物質 – 物質の仮説的相
• フェルミオン凝縮 – 物質の状態
• SU(2)カラー超伝導 – クォーク物質の性質

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