Doutorado: Existência de matéria de quarks fria na natureza: modelos e observações

Prof. Dr. Jorge Ernesto Horvath - IAG/USP

Profa. Dra. Elisabete M. de Gouveia Dal Pino – IAG/USP

Prof. Dr. Fernando Silveira Navarra – IF/USP

Profa. Dra. Laura Paulucci Marinho – UFABC/Santo André-SP 

Prof. Dr. Sérgio José Barbosa Duarte – CBPF/Rio de Janeiro- RJ

O objetivo deste trabalho é o estudo da matéria de quarks fria em estrelas de nêutrons, a partir de transições de fase da matéria hadrônica para matéria de quarks.

Neste trabalho, após serem apresentados aspectos importantes de evolução estelar e teoria das estrelas de nêutrons, foi feita uma revisão dos modelos para cálculo da estrutura das estrelas em regime relativístico: o modelo canônico das equações de Tolman–Oppenheimer–Volkoff e o “novo paradigma” do modelo de Einstein-Maxwell-Fermi, onde conclui-se que o modelo de Einstein-Maxwell-Fermi possui algumas inconsistências, entre elas a inadequação do modelo para o tratamento de estrelas com equação de estado híbrida e o fato de usar como ponto de partida o modelo atômico, que já apresenta intrinsecamente a propriedade de não-neutralidade local.

Para descrever a fase hadrônica neste trabalho foi estudado o modelo SWRDP, que considera a presença de híperons e os efeitos de forças de muitos corpos simuladas pelo auto-acoplamento não linear e as contribuições méson-méson. A matéria de quarks foi descrita através de duas abordagems: a Teoria de Campo Médio da QCD (MFTQCD) e a Extensão Infravermelha da QCD (QCDIRE). 

A abordagem utilizada para fazer a ligação entre a matéria hadrônica e a matéria de quarks fria foi uma transição de fase de primeira ordem utilizando a construção de Maxwell. Para a combinação SWRDP+MFTQCD, a transição de fase foi possível, pois para algumas combinações de parâmetros ajustáveis de ambas as equações as condições para a transformação de Maxwell foram satisfeitas. Para a combinação SWRDP+QCDIRE, não foi possível obter a equação de estado híbrida. 

Em seguida as equações de estado híbridas foram integradas utilizando as equações de Tolman–Oppenheimer–Volkoff, e obtidas massas máximas para alguns conjuntos de parâmetros que estão em acordo com observações dos pulsares PSR J1614–2230 (M=1.97±0.04 M¯) e PSR J0348+0432 (M=2.01±0.04 M¯). Pela análise dos parâmetros, conclui-se que, nas equações de estado híbridas utilizadas, as que apresentaram matéria hadrônica mais dura e caroço de quarks menos duros (dentro do espaço de parâmetros) foram que as que alcançaram massas maiores. 

Com relação ao modelo QCDIRE, a equação de estado não permite nenhuma transição de estado como o modelo hadrônico utilizado e não permite massas maiores que 0.66 M¯. Isso pode se dever ao fato de não haver nenhuma interação introduzida ad hoc no modelo, mas também indica que levar em conta o confinamento não garante equações de estado aplicáveis para situações realistas.

Também foi utilizada a teoria da informação para avaliar a preferência das diferentes equações de estado pela Natureza. Concluiu-se que modelos com núcleos de quark onde a matéria de quarks fria é caracterizada pela baixa interação entre os glúons com maior momento e os quarks, combinados com equações de estado hadrônicas mais duras são mais prováveis de ocorrerem na Natureza pela ótica da teoria da informação.