الموصلية الفائقة اللونية

من المعروف أن العديد من المعادن تتحول إلى موصلات فائقة عند درجات الحرارة المنخفضة . يمكن النظر إلى المعدن جزئيًا على أنه سائل فيرمي من الإلكترونات، وتحت درجة حرارة حرجة، يتسبب تفاعل جاذب بوساطة الفونونات بين الإلكترونات بالقرب من سطح فيرمي في اقترانها وتكوين مكثف من أزواج كوبر، مما يجعل الفوتون ضخمًا عبر آلية أندرسون-هيغز ، ويؤدي إلى سلوكيات مميزة للموصل الفائق: موصلية لا نهائية واستبعاد المجالات المغناطيسية ( تأثير مايسنر ). المكونات الأساسية لحدوث ذلك هي:

1. سائل من الفرميونات المشحونة.
2. تفاعل جاذب بين الفرميونات
3. درجة حرارة منخفضة (أقل من درجة الحرارة الحرجة)

تتواجد هذه المكونات أيضاً في مادة الكواركات ذات الكثافة الكافية، مما يدفع الفيزيائيين إلى توقع حدوث شيء مماثل في هذا السياق:

1. تحمل الكواركات شحنة كهربائية وشحنة لونية ؛
2. التفاعل القوي بين الكواركين هو تفاعل جاذب بقوة؛
3. من المتوقع أن يتم تحديد درجة الحرارة الحرجة بواسطة مقياس QCD، وهو من رتبة 100 ميغا إلكترون فولت، أو 10 ¹² كلفن، وهي درجة حرارة الكون بعد بضع دقائق من الانفجار العظيم ، لذا فإن مادة الكوارك التي قد نلاحظها حاليًا في النجوم المدمجة أو غيرها من البيئات الطبيعية ستكون أقل من درجة الحرارة هذه.

حقيقة أن زوج الكواركات من نوع كوبر يحمل شحنة لونية صافية، بالإضافة إلى شحنة كهربائية صافية، تعني أن بعض الغلوونات ( التي تتوسط التفاعل القوي كما تتوسط الفوتونات الكهرومغناطيسية) تكتسب كتلة في طور يحتوي على مكثف من أزواج الكواركات من نوع كوبر، ولذلك يُطلق على هذا الطور اسم "الموصل الفائق اللوني". في الواقع، في العديد من أطوار الموصل الفائق اللوني، لا يكتسب الفوتون نفسه كتلة، بل يختلط مع أحد الغلوونات لينتج عنه "فوتون مُدار" جديد عديم الكتلة. هذا صدى على مستوى طاقة الميغا إلكترون فولت لاختلاط الشحنة الفائقة _{وبوزونات} W3 التي أنتجت الفوتون في الأصل على مستوى طاقة التيرا إلكترون فولت لكسر التناظر الكهروضعيف.

على عكس الموصلات الفائقة الكهربائية، تأتي مادة الكواركات فائقة التوصيل اللوني بأنواع عديدة، كل منها يمثل حالة منفصلة من حالات المادة. ويعود ذلك إلى أن الكواركات، على عكس الإلكترونات، تأتي في أنواع متعددة. فهناك ثلاثة ألوان مختلفة (الأحمر والأخضر والأزرق)، وفي قلب النجم المضغوط نتوقع ثلاثة أنواع مختلفة (العلوي والسفلي والغريب)، ليصبح المجموع تسعة أنواع. وبالتالي، عند تكوين أزواج كوبر، توجد مصفوفة 9×9 من أنماط الاقتران الممكنة للألوان والنكهات. وتُعد الاختلافات بين هذه الأنماط ذات أهمية فيزيائية بالغة: إذ تُخلّ الأنماط المختلفة بتناظرات مختلفة للنظرية الأساسية، مما يؤدي إلى أطياف إثارة مختلفة وخصائص نقل مختلفة.

من الصعب للغاية التنبؤ بأنماط الاقتران التي ستُفضَّل في الطبيعة. من حيث المبدأ، يمكن حسم هذا السؤال بحسابات الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، لأنها النظرية التي تصف التفاعل القوي وصفًا كاملًا. في حالة الكثافة اللانهائية، حيث يصبح التفاعل القوي ضعيفًا بسبب الحرية التقاربية ، يمكن إجراء حسابات مضبوطة، ومن المعروف أن الطور المُفضَّل في مادة الكواركات ثلاثية النكهات هو طور الاقتران اللوني-النكهي . لكن عند الكثافات الموجودة في الطبيعة، تكون هذه الحسابات غير موثوقة، والبديل الوحيد المعروف هو النهج الحسابي المباشر للديناميكا اللونية الكمومية الشبكية ، والذي يُعاني للأسف من صعوبة تقنية ( مشكلة الإشارة ) تجعله غير مُجدٍ للحسابات عند كثافة الكواركات العالية ودرجة الحرارة المنخفضة.

يتابع الفيزيائيون حاليًا خطوط البحث التالية حول الموصلية الفائقة اللونية:

• إجراء الحسابات في حد الكثافة اللانهائية، للحصول على فكرة عن السلوك عند إحدى حواف مخطط الطور .
• إجراء حسابات بنية الطور وصولاً إلى الكثافة المتوسطة باستخدام نموذج مبسط للغاية لـ QCD، وهو نموذج Nambu–Jona-Lasinio (NJL)، والذي ليس تقريبًا مضبوطًا، ولكن من المتوقع أن يقدم رؤى شبه كمية.
• كتابة نظرية فعالة لإثارات طور معين، واستخدامها لحساب الخصائص الفيزيائية لهذا الطور.
• إجراء حسابات فيزيائية فلكية، باستخدام نماذج NJL أو النظريات الفعالة، لمعرفة ما إذا كانت هناك بصمات قابلة للملاحظة يمكن من خلالها تأكيد أو استبعاد وجود مراحل فائقة التوصيل ذات لون محدد في الطبيعة (أي في النجوم المدمجة: انظر القسم التالي).