Extraño - Strangelet

Un extraño es una partícula hipotética que consiste en un estado ligado de números aproximadamente iguales de quarks arriba , abajo y extraños . Una descripción equivalente es que un extraño es un pequeño fragmento de materia extraña , lo suficientemente pequeño como para ser considerado una partícula . El tamaño de un objeto compuesto de materia extraña podría, teóricamente, variar desde unos pocos femtómetros de diámetro (con la masa de un núcleo de luz) hasta arbitrariamente grande. Una vez que el tamaño se vuelve macroscópico (del orden de metros de diámetro), ese objeto se suele llamar estrella extraña . El término "extraño" se origina con Edward Farhi y Robert Jaffe en 1984 . Los extraños pueden convertir la materia en materia extraña al contacto. Se ha sugerido a los extraños como candidatos a la materia oscura .

Posibilidad teórica

Hipótesis de materia extraña

Las partículas conocidas con quarks extraños son inestables. Debido a que el quark extraño es más pesado que los quarks up y down, puede decaer espontáneamente , a través de la interacción débil , en un quark up. En consecuencia, las partículas que contienen quarks extraños, como la partícula Lambda , siempre pierden su extrañeza , al descomponerse en partículas más ligeras que contienen solo quarks ascendentes y descendentes.

Sin embargo, los estados condensados ​​con un mayor número de quarks podrían no sufrir esta inestabilidad. Esa posible estabilidad contra la descomposición es la " hipótesis de la materia extraña ", propuesta por separado por Arnold Bodmer y Edward Witten . Según esta hipótesis, cuando se concentra un número suficientemente grande de quarks juntos, el estado de energía más bajo es uno que tiene aproximadamente el mismo número de quarks arriba, abajo y extraños, es decir, un extraño. Esta estabilidad se produciría debido al principio de exclusión de Pauli ; Tener tres tipos de quarks, en lugar de dos como en la materia nuclear normal, permite colocar más quarks en niveles de energía más bajos.

Relación con los núcleos

Un núcleo es una colección de una gran cantidad de quarks ascendentes y descendentes, confinados en tripletes ( neutrones y protones ). Según la hipótesis de la materia extraña, los extraños son más estables que los núcleos, por lo que se espera que los núcleos se descompongan en extraños. Pero este proceso puede ser extremadamente lento porque hay una gran barrera de energía que superar: a medida que la interacción débil comienza a convertir un núcleo en un extraño, los primeros quarks extraños forman bariones extraños, como el Lambda, que son pesados. Solo si ocurren muchas conversiones casi simultáneamente, el número de quarks extraños alcanzará la proporción crítica requerida para lograr un estado de menor energía. Es muy poco probable que esto suceda, por lo que incluso si la hipótesis de la materia extraña fuera correcta, nunca se vería que los núcleos se desintegran en extraños porque su vida sería más larga que la edad del universo.

Tamaño

La estabilidad de los extraños depende de su tamaño. Esto se debe a (a) la tensión superficial en la interfaz entre la materia de los quarks y el vacío (que afecta más a los pequeños extraños que a los grandes), y (b) el apantallamiento de cargas, que permite que los pequeños extraños se carguen, con una nube neutralizante de electrones / positrones a su alrededor, pero requiere grandes extraños, como cualquier gran trozo de materia, para ser eléctricamente neutros en su interior. La distancia de detección de carga tiende a ser del orden de unos pocos femtómetros, por lo que solo los pocos femtómetros externos de un extraño pueden transportar carga.

Se desconoce la tensión superficial de la materia extraña. Si es menor que un valor crítico (unos pocos MeV por femtómetro cuadrado), los extraños extraños son inestables y tenderán a fisionarse en extraños extraños (las estrellas extrañas aún se estabilizarían por la gravedad). Si es mayor que el valor crítico, los extraños se vuelven más estables a medida que crecen.

Ocurrencia natural o artificial

Aunque los núcleos no se descomponen en extraños, hay otras formas de crear extraños, por lo que si la hipótesis de la materia extraña es correcta, debería haber extraños en el universo. Hay al menos tres formas en que se pueden crear en la naturaleza:

  • Cosmogónicamente, es decir, en el universo temprano cuando ocurrió la transición de la fase de confinamiento QCD . Es posible que se hayan creado extraños junto con los neutrones y protones que forman la materia ordinaria.
  • Procesos de alta energía. El universo está lleno de partículas de muy alta energía ( rayos cósmicos ). Es posible que cuando estos chocan entre sí o con estrellas de neutrones, puedan proporcionar suficiente energía para superar la barrera energética y crear extraños a partir de materia nuclear. Algunos identificaron eventos de rayos cósmicos exóticos, como el evento de Price con una relación de carga a masa muy baja, ya podrían haber registrado extraños.
  • Impactos de rayos cósmicos. Además de las colisiones frontales de rayos cósmicos, los rayos cósmicos de energía ultra alta que impactan en la atmósfera de la Tierra pueden crear extraños.

Estos escenarios ofrecen posibilidades para la observación de extraños. Si hay extraños volando alrededor del universo, entonces ocasionalmente un extraño debería golpear la Tierra, donde aparecería como un tipo exótico de rayo cósmico. Si se pueden producir extraños en colisiones de alta energía, entonces podrían ser producidos por colisionadores de iones pesados.

Producción de aceleradores

En los aceleradores de iones pesados ​​como el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), los núcleos chocan a velocidades relativistas, creando quarks extraños y antiextracción que posiblemente podrían conducir a la producción de extraños. La firma experimental de un extraño sería su muy alta relación de masa a carga, lo que haría que su trayectoria en un campo magnético fuera casi recta, pero no del todo. La colaboración STAR ha buscado extraños producidos en el RHIC, pero no se encontró ninguno. El gran colisionador de hadrones (LHC) es aún menos probable que strangelets producen, pero están previstas las búsquedas para el LHC ALICE detector.

Detección basada en el espacio

El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS), un instrumento que está montado en la Estación Espacial Internacional , podría detectar extraños.

Posible detección sísmica

En mayo de 2002, un grupo de investigadores de la Universidad Metodista del Sur informó de la posibilidad de que los extraños pudieran haber sido responsables de los eventos sísmicos registrados el 22 de octubre y el 24 de noviembre de 1993. Los autores se retractaron más tarde de su afirmación, después de descubrir que el reloj de uno de los Las estaciones sísmicas tuvieron un gran error durante el período relevante.

Se ha sugerido que el Sistema Internacional de Vigilancia que se está estableciendo para verificar el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (TPCE) después de su entrada en vigor puede ser útil como una especie de "observatorio extraño" que utiliza toda la Tierra como detector. El IMS estará diseñado para detectar perturbaciones sísmicas anómalas de hasta 1 kilotón de liberación de energía de TNT (4,2  TJ ) o menos, y podría rastrear extraños que pasan por la Tierra en tiempo real si se explota adecuadamente.

Impactos en los cuerpos del Sistema Solar

Se ha sugerido que los extraños de masa subplanetaria, es decir, meteoritos pesados, perforarían planetas y otros objetos del sistema solar, dando lugar a cráteres de impacto (salida) que muestran rasgos característicos.

Peligros

Si la hipótesis de la materia extraña es correcta, y si existe un extraño extraño cargado negativamente con una tensión superficial mayor que el valor crítico mencionado anteriormente, entonces un extraño extraño más grande sería más estable que uno más pequeño. Una especulación que ha resultado de la idea es que un extraño que entra en contacto con un trozo de materia ordinaria podría convertir la materia ordinaria en materia extraña.

Esto no es una preocupación para los extraños en los rayos cósmicos porque se producen lejos de la Tierra y han tenido tiempo de decaer a su estado fundamental , que la mayoría de los modelos predice que tiene carga positiva, por lo que son repelidos electrostáticamente por los núcleos y rara vez lo harían. fusionarse con ellos. Por otro lado, las colisiones de alta energía podrían producir estados extraños cargados negativamente, que podrían vivir lo suficiente para interactuar con los núcleos de la materia ordinaria .

El peligro de la conversión catalizada por extraños producidos en colisionadores de iones pesados ha recibido cierta atención de los medios, y se plantearon preocupaciones de este tipo al comienzo del experimento RHIC en Brookhaven , que podría haber creado extraños. Un análisis detallado concluyó que las colisiones RHIC eran comparables a las que ocurren naturalmente cuando los rayos cósmicos atraviesan el sistema solar , por lo que ya habríamos visto tal desastre si fuera posible. RHIC ha estado operando desde 2000 sin incidentes. Se han planteado preocupaciones similares sobre el funcionamiento del LHC en el CERN, pero los científicos descartan tales temores como descabellados.

En el caso de una estrella de neutrones , el escenario de conversión parece mucho más plausible. Una estrella de neutrones es, en cierto sentido, un núcleo gigante (20 km de diámetro), que se mantiene unido por la gravedad , pero es eléctricamente neutral y, por lo tanto, no repele a los extraños de forma electrostática. Si un extraño golpea una estrella de neutrones, podría convertir una pequeña región de ella, y esa región crecería para consumir toda la estrella, creando una estrella de quark .

Debate sobre la hipótesis de la materia extraña

La hipótesis de la materia extraña sigue sin probarse. Ninguna búsqueda directa de extraños en rayos cósmicos o aceleradores de partículas ha visto un extraño. Si se pudiera demostrar que alguno de los objetos, como las estrellas de neutrones, tiene una superficie hecha de materia extraña, esto indicaría que la materia extraña es estable a presión cero , lo que justificaría la hipótesis de la materia extraña. Sin embargo, no hay pruebas sólidas de superficies de materia extraña en las estrellas de neutrones.

Otro argumento en contra de la hipótesis es que si fuera cierto, esencialmente todas las estrellas de neutrones deberían estar hechas de materia extraña y, de lo contrario, ninguna debería estarlo. Incluso si inicialmente solo hubiera unas pocas estrellas extrañas, los eventos violentos como las colisiones pronto crearían muchos fragmentos de materia extraña volando alrededor del universo. Debido a que la colisión con un extraño extraño convertiría una estrella de neutrones en materia extraña, todas menos algunas de las estrellas de neutrones formadas más recientemente ya deberían haberse convertido en materia extraña.

Este argumento todavía se debate, pero si es correcto, demostrar que una vieja estrella de neutrones tiene una corteza de materia nuclear convencional refutaría la hipótesis de la materia extraña.

Debido a su importancia para la hipótesis de la materia extraña, existe un esfuerzo continuo para determinar si las superficies de las estrellas de neutrones están hechas de materia extraña o materia nuclear . Actualmente, la evidencia favorece la materia nuclear. Esto proviene de la fenomenología de las explosiones de rayos X , que se explica bien en términos de una corteza de materia nuclear, y de la medición de vibraciones sísmicas en magnetares .

En ficción

  • Un episodio de Odyssey 5 presentó un intento de destruir el planeta creando intencionalmente extraños cargados negativamente en un acelerador de partículas .
  • El docudrama de la BBC End Day presenta un escenario en el que un acelerador de partículas en la ciudad de Nueva York explota, creando un extraño y comenzando una reacción en cadena catastrófica que destruye la Tierra.
  • La historia A Matter most Strange de la colección Indistinguishable from Magic de Robert L. Forward trata sobre la fabricación de un extraño en un acelerador de partículas .
  • Impact , publicado en 2010 y escrito por Douglas Preston , trata sobre una máquina alienígena que crea extraños. Los extraños extraños de la máquina impactan la Tierra y la Luna y la atraviesan.
  • La novela Phobos , publicada en 2011 y escrita por Steve Alten como la tercera y última parte de su trilogía Domain , presenta una historia ficticia en la que se crean extraños sin querer en el LHC y escapan de él para destruir la Tierra.
  • En la novela de comedia negra de 1992 Humans de Donald E. Westlake , un Dios irritado envía un ángel a la Tierra para provocar el Armagedón mediante el uso de un extraño creado en un acelerador de partículas para convertir la Tierra en una estrella de quark.
  • En la película de 2010 Quantum Apocalypse , un extraño se acerca a la Tierra desde el espacio.
  • En la novela The Quantum Thief de Hannu Rajaniemi y el resto de la trilogía, los extraños se utilizan principalmente como armas, pero durante un proyecto inicial para terraformar Marte, se utilizó uno para convertir Fobos en un "sol" adicional.

Ver también

Otras lecturas

  • Holden, Joshua (17 de mayo de 1998). "La historia de los extraños" . Rutgers . Archivado desde el original el 7 de enero de 2010 . Consultado el 1 de abril de 2010 .
  • Fridolin Weber (2005). "Extraña materia de quarks y estrellas compactas". Progresos en Física de Partículas y Nuclear . 54 (1): 193–288. arXiv : astro-ph / 0407155 . Código bibliográfico : 2005PrPNP..54..193W . doi : 10.1016 / j.ppnp.2004.07.001 . S2CID  15002134 .
  • Jes Madsen (1999). "Física y astrofísica de la materia de quarks extraños". Hadrones en materia densa y hadrosíntesis . Apuntes de clases de física. 516 . págs. 162–203. arXiv : astro-ph / 9809032 . doi : 10.1007 / BFb0107314 . ISBN 978-3-540-65209-0. S2CID  16566509 .

Referencias

enlaces externos