Materia extraña - Strange matter

La materia extraña (o materia extraña de quarks ) es materia de quarks que contiene quarks extraños . En la naturaleza, se plantea la hipótesis de que la materia extraña ocurre en el núcleo de las estrellas de neutrones o, más especulativamente, como gotas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros ( strangelets ) hasta kilómetros, como en las hipotéticas estrellas extrañas . A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color .

La materia ordinaria , también conocida como materia atómica, está compuesta de átomos, con casi toda la materia concentrada en los núcleos atómicos. La materia nuclear es un líquido compuesto de neutrones y protones , y ellos mismos están compuestos por quarks up y down . La materia de los quarks es una forma condensada de materia compuesta enteramente por quarks . Si la materia de los quarks contiene quarks extraños , a menudo se la denomina materia extraña (o materia de quarks extraña), y cuando la materia de los quarks no contiene quarks extraños, a veces se la denomina materia de quarks no extraña.

Contexto

En física de partículas y astrofísica , el término 'materia extraña' se usa en dos contextos diferentes, uno más amplio y el otro más específico e hipotético:

  1. En un contexto más amplio, nuestra comprensión actual de las leyes de la naturaleza predice que se podría crear materia extraña cuando la materia nuclear (hecha de protones y neutrones ) se comprime más allá de una densidad crítica. A esta presión y densidad críticas, los protones y neutrones se disocian en quarks, produciendo materia de quarks y materia potencialmente extraña.
  2. El contexto más específico e hipotético es que la materia de los quarks podría ser, de hecho, el verdadero estado fundamental de toda la materia y, por lo tanto, más estable que la materia nuclear ordinaria. Esta idea se conoce como la "hipótesis de la materia extraña", o el supuesto de Bodmer- Witten . Bajo esta hipótesis, los núcleos de los átomos que vemos a nuestro alrededor son solo metaestables , incluso cuando la presión crítica externa es cero, y con el tiempo suficiente (o el estímulo correcto) los núcleos se descompondrían en gotitas estables de materia extraña. Las gotas de materia extraña también se conocen como extraños.

Materia extraña que es estable solo a alta presión

En el contexto general, podría ocurrir materia extraña dentro de las estrellas de neutrones, si la presión en su núcleo es lo suficientemente alta (es decir, por encima de la presión crítica). En el tipo de densidades y altas presiones que esperamos en el centro de una estrella de neutrones, la materia de los quarks probablemente sería materia extraña. Posiblemente podría ser materia de quarks no extraños, si la masa efectiva del quark extraño fuera demasiado alta. Los quarks encantadores y los quarks más pesados ​​solo se producirían a densidades mucho más altas.

La materia extraña surge como una forma de aliviar la presión de la degeneración . El principio de exclusión de Pauli prohíbe que los fermiones, como los quarks, ocupen la misma posición y nivel de energía. Cuando la densidad de partículas es lo suficientemente alta como para que todos los niveles de energía por debajo de la energía térmica disponible ya estén ocupados, aumentar la densidad requiere elevar aún más algunos niveles de energía desocupados más altos. Esta necesidad de energía para causar compresión se manifiesta como una presión. Normalmente, la materia consta del doble de quarks down (carga -1/3 e ) como quarks up (cargo +2/3 e ), por lo que la presión de degeneración de los quarks descendentes domina la materia de los quarks eléctricamente neutrales. Sin embargo, cuando el nivel de energía requerido es lo suficientemente alto, se encuentra disponible una alternativa: la mitad de los quarks down se pueden transmutar en quarks extraños (carga -1/3 e ). La masa en reposo más alta del quark extraño cuesta algo de energía, pero al abrir un conjunto adicional de niveles de energía, la energía promedio por partícula puede ser menor, lo que hace que la materia extraña sea más estable que la materia del quark no extraño.

Una estrella de neutrones con un núcleo de materia de quarks a menudo se denomina estrella híbrida. Sin embargo, es difícil saber si las estrellas híbridas existen realmente en la naturaleza porque los físicos actualmente tienen poca idea del valor probable de la presión o densidad críticas. Parece plausible que la transición a la materia de los quarks ya se haya producido cuando la separación entre los nucleones se vuelva mucho más pequeña que su tamaño, por lo que la densidad crítica debe ser inferior a unas 100 veces la densidad de saturación nuclear. Pero aún no se dispone de una estimación más precisa, porque la fuerte interacción que gobierna el comportamiento de los quarks es matemáticamente intratable, y los cálculos numéricos que utilizan QCD de celosía están actualmente bloqueados por el problema del signo del fermión .

Un área importante de actividad en la física de las estrellas de neutrones es el intento de encontrar firmas observables mediante las cuales podamos saber si las estrellas de neutrones tienen materia de quarks (probablemente materia extraña) en su núcleo.

Materia extraña que es estable a presión cero

Si la "hipótesis de la materia extraña" es cierta, entonces la materia nuclear es metaestable frente a su descomposición en materia extraña. La vida útil de la descomposición espontánea es muy larga, por lo que no vemos que este proceso de descomposición ocurra a nuestro alrededor. Sin embargo, bajo esta hipótesis debería haber materia extraña en el universo:

  1. Las estrellas de quarks (a menudo llamadas "estrellas extrañas") consisten en materia de quarks desde su núcleo hasta su superficie. Tendrían varios kilómetros de diámetro y podrían tener una corteza muy delgada de materia nuclear.
  2. Strangelets son pequeños trozos de materia extraña, tal vez tan pequeño como núcleos. Se producirían cuando se forman o chocan estrellas extrañas, o cuando un núcleo se desintegra.

Ver también

Referencias