À basse température et à haute densité baryonique, l'équation d'état de la matière dense ne peut pas être calculée directement à partir de la chromodynamique quantique en raison du problème du signe des fermions. On utilise donc des modèles effectifs qui intègrent les symétries de la QCD et reproduisent les contraintes connues. Dans une telle approche, il faut tenir compte de trois charges conservées : le nombre baryonique, l'étrangeté et la charge électrique, ce qui conduit à un espace tridimensionnel des potentiels chimiques. Ce travail se situe à l'intersection des recherches sur la matière de quarks, les kilonovae et les magnétars ; les travaux voisins étudient la supraconductivité colorée, les transitions de phase dans les étoiles à neutrons et les points critiques quantiques. Cet article se distingue en démontrant pour la première fois, dans un modèle unifié incluant l'octet baryonique complet, le décuplet et les quarks, la coexistence de trois points critiques.
Le modèle chiral de champ moyen CMF++ a été utilisé, une version ouverte développée par la collaboration MUSES. Le modèle inclut la symétrie chirale, l'octet baryonique complet, le décuplet et les quarks. L'équation d'état est calculée dans un espace de paramètres à quatre dimensions : la température, les potentiels chimiques baryonique, étrange et électrique. Pour déterminer les solutions stables, métastables et instables, on utilise la positivité de la matrice hessienne. Les transitions de phase sont identifiées par les discontinuités des grandeurs thermodynamiques, et les points critiques par les pics de la susceptibilité baryonique normalisée. Les calculs sont effectués pour un ensemble spécifique de constantes de couplage C3.
À température nulle, trois phases sont trouvées : une phase hadronique légère (principalement des nucléons), une phase de quarks et une phase dominée par l'étrangeté (principalement des hyperons Ξ-, Σ- et leurs résonances). La transition vers la phase étrange s'accompagne d'un changement brusque de composition : la fraction d'étrangeté Y_S ≈ −1 et l'asymétrie d'isospin δ_I chute en dessous de 0.25. À température finie, chaque transition du premier ordre se termine par un point critique. Pour la transition étrange, la température critique T_c ≈ 40 MeV et le potentiel chimique baryonique μ_Bc ≈ 1345 MeV. La ligne de déconfinement se courbe vers des μ_B plus faibles à basse température, ce qui est opposé au comportement standard. La transition liquide-gaz ne dépend pas de la présence du point critique étrange.
Ce travail montre que dans la matière nucléaire dense peut exister un troisième type de transition de phase, jamais observé auparavant dans ce contexte : la transition dominée par l'étrangeté. Contrairement aux études voisines où les instabilités hyperoniques étaient traitées isolément ou dans des modèles plus simples, elles sont ici obtenues dans un modèle autocohérent unique avec quarks et octet complet. C'est la première démonstration de trois points critiques dans un même diagramme de phase CMF. Ce résultat est important pour comprendre la composition des régions internes des étoiles à neutrons et la dynamique de leurs fusions.
Il est nécessaire de vérifier la stabilité de la phase étrange pour un ensemble plus large de paramétrisations du CMF, car son existence dépend fortement des constantes de couplage. Une question ouverte est de savoir comment l'interaction entre la transition étrange et le déconfinement affecte les trajectoires dans l'espace des potentiels chimiques dans des conditions réelles de collisions d'ions lourds et de fusions d'étoiles à neutrons. On prévoit d'étudier la possibilité d'apparition de la phase étrange dans les collisions à basse énergie.
Les résultats pourraient influencer l'interprétation des données sur les collisions d'ions lourds et la modélisation des fusions d'étoiles à neutrons, y compris les calculs des ondes gravitationnelles.
Effectuer une analyse de stabilité de la phase étrange pour différentes paramétrisations du CMF et étudier ses manifestations dans des simulations numériques de fusions d'étoiles à neutrons en tenant compte des écarts par rapport à l'équilibre électrofaible.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de l'équation d'état de la matière nucléaire supra-dense et à la question de savoir quels degrés de liberté (hadrons, hyperons, quarks) se réalisent dans les noyaux des étoiles à neutrons. L'existence d'une phase étrange pourrait résoudre la contradiction entre la mollesse de l'équation d'état due aux hyperons et les masses observées des étoiles à neutrons, d'environ deux masses solaires.
La température critique de la transition étrange, environ 40 MeV, correspond à environ 460 milliards de kelvins, soit des dizaines de milliers de fois plus chaud que le centre du Soleil.
Dans le roman « Schismatrice » de Bruce Sterling, des êtres intelligents vivent dans les conditions extrêmes des étoiles à neutrons. Des transitions de phase comme celles étudiées ici pourraient définir les frontières de leur monde.