Matéria de quarks: estrelas compactas e transições de fases

Abstract

No presente trabalho, a matéria de quarks desconfinados é descrita por meio de um modelo efetivo no qual a massa dos quarks depende da densidade do meio. A descrição da matéria de quarks tem por finalidade a aplicação na astrofísica de objetos compactos e no estudo do diagrama de fases da cromodinâmica quântica (QCD). São investigadas ambas as hipóteses de matéria puramente de quarks com potenciais químicos iguais e de matéria estelar sujeita a equilíbrio químico e neutralidade de carga. Inicialmente, é abordado o problema da consistência termodinâmica ao introduzir a dependência da densidade, impasse que é corrigido na construção da equação de estado (EoS) do modelo utilizado. A partir da hipótese de Bodmer-Witten, são construídas janelas de estabilidade a fim de restringir os parâmetros livres do modelo. À temperatura zero, os parâmetros livres do modelo são investigados de modo a observar sua influência na EoS e o modelo é aplicado ao estudo das hipotéticas estrelas estranhas, compostas por matéria de quarks desconfinados absolutamente estável. Os resultados sugerem que o modelo é capaz de reproduzir dados experimentais de estrelas massivas, assim como o raio da estrela de nêutrons canônica. É realizada uma adaptação do modelo para que seja capaz de descrever a matéria de quarks na presença de um campo magnético externo. À temperatura finita, o modelo é utilizado para a descrição da transição de fases de desconfinamento no diagrama de fases da QCD. Os resultados são confrontados com predições de outros modelos efetivos, estimativas da QCD na rede e dados da transição de fases líquido-gás em baixas temperaturas.

Abstract: In the present work, deconfined quark matter is described by an effective model on which the quark masses depend on the density. The description of quark matter aims at astrophysical applications on the study of compact objects as well as the study of the quantum chromodynamics (QCD) phase diagram. The hypotheses of both pure quark matter with equal quark chemical potentials and stellar matter subject to chemical stability and charge neutrality are investigated. Initially, the issue of thermodynamic consistency that arises from the inclusion of density dependence is addressed, a problem that is solved by the construction of the equation of state (EoS) of the model utilised. From the Bodmer-Witten hypothesis, stability windows are built to restrict the model free parameters. At zero temperature, the model free parameters are investigated to observe their influence on the EoS and then applied to the study of the hypothetical strange stars, composed of absolutely stable deconfined quark matter. The results suggest that the model is capable of describing experimental data for massive stars, as well as the radii of the canonical neutron star. An adaptation is performed on the model so that it becomes capable of describing quark matter in the presence of an external magnetic field. At finite temperature, the model is utilised to describe the deconfinement phase transition in the QCD phase diagram. The results are confronted with predictions from other effective models, estimates from lattice QCD and data from the liquid-gas phase transition in low temperatures.