Il comportamento della materia fortemente interagente a densità superiori alla densità di saturazione nucleare e la corrispondente transizione di fase di deconfinamento, in cui i quark non sono più confinati all’interno degli adroni, restano problemi aperti di grande interesse. Tali condizioni estreme possono realizzarsi nelle stelle compatte e in fenomeni astrofisici correlati, come le supernove da collasso del nucleo (CCSNe) e le fusioni di stelle compatte in sistemi binari (BCSMs). Gli scenari fenomenologici per le stelle compatte dipendono in maniera cruciale dal fatto che l’energia per barione della materia strana deconfinata (SQM), composta da quark u, d e s, sia minore o maggiore di quella del ferro a pressione e temperatura nulle, cioè se la SQM sia assolutamente stabile oppure no. Nel caso standard, in cui la SQM non è assolutamente stabile, densità centrali sufficientemente elevate possono produrre materia deconfinata nel nucleo stellare, dando luogo a stelle ibride, mentre stelle con densità centrali più basse rimangono stelle di neutroni (NSs) puramente adroniche. In alternativa, l’ipotesi di Bodmer--Witten propone che la materia adronica sia metastabile in tutte le condizioni, mentre la SQM rappresenti lo stato fondamentale. Le due fasi sono separate nello spazio delle configurazioni da una barriera di energia che impedisce, in condizioni ordinarie, il decadimento spontaneo della materia adronica in SQM. Se tale ipotesi è corretta, possono coesistere una famiglia di NS metastabili e una famiglia di stelle di quark (QSs) stabili, dando origine allo scenario a due famiglie. In questa tesi studio la transizione di deconfinamento nelle stelle compatte. In primo luogo, nel contesto dello scenario a singola famiglia, sviluppo un formalismo termodinamicamente consistente per le transizioni di fase del primo ordine in materia multicomponente, che interpola in modo continuo tra la condizione di neutralità di carica elettrica locale e quella globale. La corrispondente equazione di stato di fase mista consente di regolare in modo controllato l’intensità e l’estensione della transizione e può essere implementata direttamente nelle simulazioni astrofisiche, rendendo possibile uno studio sistematico di come la variazione delle proprietà della transizione influenzi gli osservabili astrofisici. In secondo luogo, mi concentro sullo scenario a due famiglie e sul decadimento della fase adronica metastabile tramite nucleazione, che innesca la conversione di NS in QS. Formulo uno schema di nucleazione per la SQM che incorpora i vincoli imposti dalle interazioni forti, le fluttuazioni termiche locali della composizione adronica, una prescrizione a volume ridotto per tener conto del trasporto su tempi finiti e gli effetti della superconduttività di colore nella fase deconfinata. Questo formalismo viene applicato a sistemi astrofisici al fine di identificare le condizioni termodinamiche in cui le NS si convertono in QS e come tali conversioni possano manifestarsi sotto forma di transienti energetici. Viene inoltre discussa un’applicazione qualitativa a CCSNe di progenitori massicci.
The behavior of strongly interacting matter at densities above nuclear saturation and the associated deconfinement phase transition, whereby quarks are no longer confined within hadrons, remain open problems of broad interest. Such extreme conditions may be realized in compact stars and in related astrophysical phenomena, including core-collapse supernovae (CCSNe) and binary compact star mergers (BCSMs). Phenomenological scenarios for compact stars depend crucially on whether the unknown energy per baryon of strange quark matter (SQM), a deconfined quark phase composed of up, down, and strange quarks, is smaller or larger than that of iron in bulk at zero pressure and temperature, i.e. whether SQM is absolutely stable or not. In the standard case where SQM is not absolutely stable, sufficiently high central densities may produce deconfined quark matter in the core, yielding hybrid stars, whereas stars with lower central densities remain purely hadronic neutron stars (NSs). Alternatively, the Bodmer–Witten hypothesis proposes that bulk hadronic matter is metastable under all conditions, while SQM is the absolute ground state. The two phases are separated in the space of configurations by an energy barrier that prevents the spontaneous decay of hadronic matter into SQM under ordinary conditions. If this hypothesis holds, a family of metastable NSs and a family of stable strange quark stars (QSs) may coexist, leading to the two-families scenario. In this thesis I investigate the deconfinement phase transition in compact stars from two perspectives. First, in the context of the one-family scenario, I develop a thermodynamically consistent framework for first-order phase transitions in multi-component matter that interpolates continuously between local and global electric charge neutrality. The resulting mixed-phase equation of state allows one to tune the strength and extent of the transition in a controlled manner and can be implemented directly in astrophysical simulations, thereby enabling systematic studies of how varying the transition properties in a thermodynamically consistent way affects astrophysical observables. Second, I focus on the two-families scenario and on the decay of the metastable hadronic phase via nucleation, which triggers the conversion of NSs into QSs. I formulate a nucleation scheme for SQM that incorporates strong-interaction constraints, local thermal fluctuations of the hadronic composition, a reduced-volume prescription for finite-time transport, and the effects of color superconductivity in the quark phase. This framework is applied to proto-neutron stars and to accreting compact binaries to identify the thermodynamic conditions under which NSs convert into QSs and how such conversions could manifest as delayed energetic transients. A qualitative application to CCSNe of massive progenitors is also discussed.
Deconfinement phase transition in dense matter and its effects on the formation of compact stars
GUERRINI, MIRCO
2026
Abstract
Il comportamento della materia fortemente interagente a densità superiori alla densità di saturazione nucleare e la corrispondente transizione di fase di deconfinamento, in cui i quark non sono più confinati all’interno degli adroni, restano problemi aperti di grande interesse. Tali condizioni estreme possono realizzarsi nelle stelle compatte e in fenomeni astrofisici correlati, come le supernove da collasso del nucleo (CCSNe) e le fusioni di stelle compatte in sistemi binari (BCSMs). Gli scenari fenomenologici per le stelle compatte dipendono in maniera cruciale dal fatto che l’energia per barione della materia strana deconfinata (SQM), composta da quark u, d e s, sia minore o maggiore di quella del ferro a pressione e temperatura nulle, cioè se la SQM sia assolutamente stabile oppure no. Nel caso standard, in cui la SQM non è assolutamente stabile, densità centrali sufficientemente elevate possono produrre materia deconfinata nel nucleo stellare, dando luogo a stelle ibride, mentre stelle con densità centrali più basse rimangono stelle di neutroni (NSs) puramente adroniche. In alternativa, l’ipotesi di Bodmer--Witten propone che la materia adronica sia metastabile in tutte le condizioni, mentre la SQM rappresenti lo stato fondamentale. Le due fasi sono separate nello spazio delle configurazioni da una barriera di energia che impedisce, in condizioni ordinarie, il decadimento spontaneo della materia adronica in SQM. Se tale ipotesi è corretta, possono coesistere una famiglia di NS metastabili e una famiglia di stelle di quark (QSs) stabili, dando origine allo scenario a due famiglie. In questa tesi studio la transizione di deconfinamento nelle stelle compatte. In primo luogo, nel contesto dello scenario a singola famiglia, sviluppo un formalismo termodinamicamente consistente per le transizioni di fase del primo ordine in materia multicomponente, che interpola in modo continuo tra la condizione di neutralità di carica elettrica locale e quella globale. La corrispondente equazione di stato di fase mista consente di regolare in modo controllato l’intensità e l’estensione della transizione e può essere implementata direttamente nelle simulazioni astrofisiche, rendendo possibile uno studio sistematico di come la variazione delle proprietà della transizione influenzi gli osservabili astrofisici. In secondo luogo, mi concentro sullo scenario a due famiglie e sul decadimento della fase adronica metastabile tramite nucleazione, che innesca la conversione di NS in QS. Formulo uno schema di nucleazione per la SQM che incorpora i vincoli imposti dalle interazioni forti, le fluttuazioni termiche locali della composizione adronica, una prescrizione a volume ridotto per tener conto del trasporto su tempi finiti e gli effetti della superconduttività di colore nella fase deconfinata. Questo formalismo viene applicato a sistemi astrofisici al fine di identificare le condizioni termodinamiche in cui le NS si convertono in QS e come tali conversioni possano manifestarsi sotto forma di transienti energetici. Viene inoltre discussa un’applicazione qualitativa a CCSNe di progenitori massicci.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
