Dziwna sprawa - Strange matter

Dziwna materia (lub Dziwna materia kwarkowa ) to materia kwarkowa zawierająca dziwne kwarki . Przypuszcza się, że w naturze dziwna materia występuje w jądrze gwiazd neutronowych lub, bardziej spekulacyjnie, jako pojedyncze kropelki, które mogą różnić się wielkością od femtometrów ( dzistelmenów ) do kilometrów, jak w hipotetycznych dziwnych gwiazdach . Oczekuje się, że przy wystarczająco dużej gęstości dziwna materia będzie nadprzewodnictwem barwnym .

Materia zwykła , zwana także materią atomową, składa się z atomów, przy czym prawie cała materia skoncentrowana jest w jądrach atomowych. Materia jądrowa jest cieczą składającą się z neutronów i protonów , a one same składają się z kwarków górnych i dolnych . Materia kwarkowa jest skondensowaną formą materii złożoną wyłącznie z kwarków . Jeśli materia kwarkowa zawiera dziwne kwarki , często nazywa się ją dziwną materią (lub dziwną materią kwarkową), a gdy materia kwarkowa nie zawiera dziwnych kwarków, czasami nazywa się ją nie dziwną materią kwarkową.

Kontekst

W fizyce cząstek elementarnych i astrofizyce termin „materia dziwna” jest używany w dwóch różnych kontekstach, jednym szerszym, a drugim bardziej szczegółowym i hipotetycznym:

  1. W szerszym kontekście, nasze obecne zrozumienie praw natury przewiduje, że dziwna materia może powstać, gdy materia jądrowa (złożona z protonów i neutronów ) zostanie skompresowana poza gęstość krytyczną. Przy tym krytycznym ciśnieniu i gęstości protony i neutrony dysocjują na kwarki, dając materię kwarkową i potencjalnie dziwną materię.
  2. Bardziej szczegółowy i hipotetyczny kontekst jest taki, że materia kwarkowa może w rzeczywistości być prawdziwym stanem podstawowym całej materii, a zatem bardziej stabilna niż zwykła materia jądrowa. Ta idea jest znana jako „hipoteza materii dziwnej” lub założenie Bodmera- Wittena . Zgodnie z tą hipotezą jądra atomów, które widzimy wokół nas, są tylko metastabilne , nawet gdy zewnętrzne ciśnienie krytyczne wynosi zero, a przy odpowiednim czasie (lub odpowiednim bodźcu) jądra rozpadłyby się na stabilne kropelki dziwnej materii. Kropelki dziwnej materii nazywane są również dziwadełkami.

Dziwna materia, która jest stabilna tylko pod wysokim ciśnieniem

W ogólnym kontekście, dziwna materia może wystąpić wewnątrz gwiazd neutronowych, jeśli ciśnienie w ich jądrze jest wystarczająco wysokie (tj. powyżej ciśnienia krytycznego). Przy takich gęstościach i wysokich ciśnieniach, jakich oczekujemy w centrum gwiazdy neutronowej, materia kwarkowa byłaby prawdopodobnie dziwną materią. Mogłaby to być nieobca materia kwarkowa, gdyby masa efektywna dziwnego kwarka była zbyt wysoka. Charm kwarki i cięższe kwarki mogą się pojawić tylko przy znacznie wyższych gęstościach.

Dziwna materia pojawia się jako sposób na złagodzenie presji degeneracji . W Pauliego zabrania fermionami jak kwarkach zajmowały położenie na tym samym poziomie i energii. Gdy gęstość cząstek jest na tyle wysoka, że ​​wszystkie poziomy energii poniżej dostępnej energii cieplnej są już zajęte, zwiększenie gęstości wymaga dalszego podniesienia niektórych do wyższych, niezajętych poziomów energii. Ta potrzeba energii do wywołania kompresji objawia się ciśnieniem. Normalnie materia składa się z dwa razy więcej kwarków dolnych (ładunek −1/3 e ) jako kwarki górne (ładunek +2/3 e ), więc ciśnienie degeneracji kwarków dolnych dominuje elektrycznie obojętną materię kwarkową. Jednakże, gdy wymagany poziom energii jest wystarczająco wysoki, dostępna staje się alternatywa: połowa kwarków dolnych może zostać przekształcona w kwarki dziwne (ładunek −1/3 e ). Wyższa masa spoczynkowa dziwnego kwarka kosztuje trochę energii, ale poprzez otwarcie dodatkowego zestawu poziomów energii średnia energia na cząsteczkę może być niższa, dzięki czemu dziwna materia jest bardziej stabilna niż nieobca materia kwarkowa.

Gwiazda neutronowa z jądrem materii kwarkowej jest często nazywana gwiazdą hybrydową. Jednak trudno jest stwierdzić, czy gwiazdy hybrydowe naprawdę istnieją w naturze, ponieważ fizycy obecnie nie mają pojęcia o prawdopodobnej wartości krytycznego ciśnienia lub gęstości. Wydaje się prawdopodobne, że przejście do materii kwarkowej nastąpi już wtedy, gdy separacja między nukleonami stanie się znacznie mniejsza niż ich rozmiar, więc gęstość krytyczna musi być mniejsza niż około 100 razy gęstość nasycenia jądrowego. Jednak bardziej precyzyjne oszacowanie nie jest jeszcze dostępne, ponieważ oddziaływanie silne, które rządzi zachowaniem kwarków, jest matematycznie niewykonalne, a obliczenia numeryczne z wykorzystaniem sieciowej QCD są obecnie blokowane przez problem znaku fermionów .

Jednym z głównych obszarów aktywności w fizyce gwiazd neutronowych jest próba znalezienia obserwowalnych sygnatur, dzięki którym moglibyśmy stwierdzić, czy gwiazdy neutronowe mają materię kwarkową (prawdopodobnie dziwną materię) w swoim jądrze.

Dziwna materia, która jest stabilna przy zerowym ciśnieniu

Jeśli „hipoteza materii dziwnej” jest prawdziwa, to materia jądrowa jest metastabilna i nie rozpada się na materię dziwną. Żywotność spontanicznego rozpadu jest bardzo długa, więc nie widzimy tego procesu rozpadu zachodzącego wokół nas. Jednak zgodnie z tą hipotezą we wszechświecie powinna istnieć dziwna materia:

  1. Gwiazdy kwarkowe (często nazywane „dziwnymi gwiazdami”) składają się z materii kwarkowej od jądra po powierzchnię. Mieliby kilka kilometrów średnicy i mogą mieć bardzo cienką skorupę materii jądrowej.
  2. Dziwaczki to małe kawałki dziwnej materii, być może tak małe jak jądra. Powstawałyby, gdy tworzą się lub zderzają dziwne gwiazdy, albo gdy rozpada się jądro.

Zobacz też

Bibliografia