Strangelet
Strangelet
Cizinka (vyslovuje se / ˈ s t r eɪ n dʒ . l ɪ t / ) je hypotetická částice sestávající z vázaného stavu zhruba stejného počtu kvarků nahoru , dolů a podivných kvarků . Ekvivalentním popisem je, že strangelet je malý fragment podivné hmoty , dostatečně malý na to, aby byl považován za částici . Velikost objektu složeného z podivné hmoty by se teoreticky mohla pohybovat od několika femtometrů napříč (s hmotností lehkého jádra) až po libovolně velké. Jakmile se velikost stane makroskopickou (v řádu metrů napříč), takový objekt se obvykle nazývá podivná hvězda . Pojem "divná leta" pochází od Edwarda Farhiho a Roberta Jaffea v roce 1984. Strangelet dokáže při kontaktu přeměnit hmotu na podivnou hmotu. Strangelets byli navrženi jako kandidát na temnou hmotu.
Teoretická možnost
hypotéza podivné hmoty
Známé částice s podivnými kvarky jsou nestabilní. Vzhledem k tomu, že podivný kvark je těžší než kvarky up a down, může se prostřednictvím slabé interakce spontánně rozpadnout na up kvark. V důsledku toho částice obsahující podivné kvarky, jako je částice lambda , vždy ztrácejí svou podivnost tím, že se rozpadají na lehčí částice obsahující pouze up a down kvarky.
Kondenzované stavy s větším počtem kvarků by však touto nestabilitou nemusely trpět. Tou možnou stabilitou proti rozpadu je " hypotéza podivné hmoty ", kterou samostatně navrhli Arnold Bodmera Edward Witten. Podle této hypotézy, když je pohromadě koncentrováno dostatečně velké množství kvarků, nejnižší energetický stav je ten, který má zhruba stejný počet kvarků up, down a podivných kvarků, jmenovitě strangelet. Tato stabilita by nastala kvůli Pauliho vylučovacímu principu ; mít tři typy kvarků, spíše než dva jako v normální jaderné hmotě, umožňuje umístit více kvarků na nižší energetické hladiny.
Vztah s jádry
Jádro je sbírka velkého množství up a down kvarků, omezených na triplety ( neutrony a protony ). Podle hypotézy podivné hmoty jsou podivné částice stabilnější než jádra, takže se očekává, že se jádra rozpadnou na podivné. Ale tento proces může být extrémně pomalý, protože je třeba překonat velkou energetickou bariéru: jak slabá interakce začne dělat z jádra podivný let, prvních pár podivných kvarků vytvoří podivné baryony, jako je Lambda, které jsou těžké. Pouze pokud k mnoha konverzím dojde téměř současně, počet podivných kvarků dosáhne kritického poměru potřebného k dosažení nižšího energetického stavu. Je velmi nepravděpodobné, že by se to stalo, takže i kdyby byla hypotéza podivné hmoty správná, nikdy by nebylo vidět, jak se jádra rozpadají na podivná léta, protože jejich životnost by byla delší než věk vesmíru.
Velikost
Stabilita podivně závisí na jejich velikosti. Je to způsobeno (a) povrchovým napětím na rozhraní mezi kvarkovou hmotou a vakuem (které postihuje spíše malá podivná než velká) a (b) stíněním nábojů, které umožňuje nabíjení malých podivných let pomocí neutralizačního oblaku elektronů. /pozitrony kolem nich, ale vyžaduje, aby velká podivná zvířata, jako každý velký kus hmoty, byla ve svém nitru elektricky neutrální. Vzdálenost stínění náboje bývá řádově několik femtometrů, takže náboj může nést pouze několik vnějších femtometrů cizince.
Povrchové napětí podivné hmoty není známo. Pokud je menší než kritická hodnota (několik MeV na čtvereční femtometr ), pak jsou velké podivné hvězdy nestabilní a budou mít tendenci se štěpit na menší podivné hvězdy (podivné hvězdy by byly stále stabilizovány gravitací). Pokud je větší než kritická hodnota, stanou se podivné letky stabilnější, když se zvětší.
Přirozený nebo umělý výskyt
Ačkoli se jádra nerozpadají na podivné hvězdy, existují i jiné způsoby, jak vytvořit podivné hvězdy, takže pokud je hypotéza podivné hmoty správná, měli by ve vesmíru být podivné. V přírodě mohou být vytvořeny nejméně třemi způsoby:
- Kosmogonicky, tj. v raném vesmíru, kdy došlo k fázovému přechodu omezení QCD . Je možné, že podivné částice byly vytvořeny spolu s neutrony a protony, které tvoří běžnou hmotu.
- Vysokoenergetické procesy. Vesmír je plný částic s velmi vysokou energií ( kosmické záření ). Je možné, že když se srazí mezi sebou nebo s neutronovými hvězdami, mohou poskytnout dostatek energie k překonání energetické bariéry a vytvoření podivných částic z jaderné hmoty. Některé identifikované exotické události kosmického záření, jako je Priceova událost s velmi nízkým poměrem náboje k hmotnosti, již mohly registrovat podivné hvězdy.
- Dopady kosmického záření. Kromě čelních srážek kosmických paprsků mohou kosmické paprsky s ultra vysokou energií dopadající na zemskou atmosféru vytvářet podivné paprsky.
Tyto scénáře nabízejí možnosti pro pozorování strangeletů. Pokud vesmírem létají cizinci, pak by měl občas cizopasník zasáhnout Zemi, kde by se objevil jako exotický druh kosmického záření. Pokud mohou být podivné letky produkovány při vysokoenergetických srážkách, pak by mohly být produkovány srážeči těžkých iontů.
Výroba urychlovače
Na urychlovačích těžkých iontů, jako je Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), se jádra srážejí relativistickou rychlostí a vytvářejí podivné a antidivoké kvarky, které by mohly vést k produkci podivných letů. Experimentálním znakem cizince by byl jeho velmi vysoký poměr hmotnosti k náboji, což by způsobilo, že jeho trajektorie v magnetickém poli bude téměř, ale ne zcela přímá. Spolupráce STAR hledala podivné letky vyrobené v RHIC, ale žádné nebyly nalezeny. U Velkého hadronového urychlovače (LHC) je ještě méně pravděpodobné, že bude produkovat podivné letky, ale plánují se pátrání pro detektor LHC ALICE .
Detekce založená na vesmíru
Alfa magnetický spektrometr (AMS), nástroj, který je namontován na Mezinárodní vesmírné stanici , by mohl detekovat podivné letky.
Možná seismická detekce
V květnu 2002 oznámila skupina výzkumníků z Southern Methodist University možnost, že za seismické události zaznamenané 22. října a 24. listopadu v roce 1993 mohly být zodpovědné podivné hvězdy. Autoři později své tvrzení stáhli poté, co zjistili, že hodiny jedna ze seismických stanic měla v příslušném období velkou chybu.
Bylo navrženo, aby byl zřízen Mezinárodní monitorovací systém, který by ověřil Smlouvu o úplném zákazu jaderných zkoušek (CTBT), po vstupu v platnost, může být užitečný jako druh "observatoře podivných hvězd" využívající celou Zemi jako svůj detektor. IMS bude navržen tak, aby detekoval anomální seismické poruchy až do 1 kilotuny uvolňování TNT (4,2 TJ ) energie nebo méně a mohl by být schopen sledovat podivné letce procházející Zemí v reálném čase, pokud bude správně využíván.
Dopady na tělesa sluneční soustavy
Bylo navrženo, že cizinci subplanetární (tj. těžký meteorit) hmoty by prorazili planety a další objekty sluneční soustavy, což by vedlo k impaktním kráterům, které vykazují charakteristické rysy.
Nebezpečí
Pokud je hypotéza podivné hmoty správná a existuje-li stabilní záporně nabitý podivný objekt s povrchovým napětím větším, než je výše zmíněná kritická hodnota, pak by byl větší podivný objekt stabilnější než menší. Jedna spekulace, která vyplynula z myšlenky, je, že podivné letět přicházející do kontaktu s hroudou obyčejné hmoty by mohlo přeměnit obyčejnou hmotu na podivnou hmotu.
To se netýká podivných let v kosmickém záření, protože jsou produkovány daleko od Země a měly čas se rozpadnout do svého základního stavu , o kterém většina modelů předpovídá, že je kladně nabitá, takže jsou elektrostaticky odpuzována jádry a zřídkakdy by se splynout s nimi. Na druhou stranu, vysokoenergetické srážky by mohly produkovat záporně nabité podivné stavy, které by mohly žít dostatečně dlouho, aby mohly interagovat s jádry běžné hmoty
.
Nebezpečí katalyzované přeměny cizorodých částic produkovaných v urychlovačích těžkých iontů vyvolalo určitou pozornost médií a obavy tohoto typu byly vzneseny při zahájení experimentu RHIC v Brookhavenu , který by mohl potenciálně vytvořili podivnosti. Podrobná analýza dospěla k závěru, že srážky RHIC byly srovnatelné se srážkami, které se přirozeně vyskytují při průchodu kosmického záření Sluneční soustavou , takže kdyby to bylo možné, takovou katastrofu bychom již viděli. RHIC funguje od roku 2000 bez incidentů. Podobné obavy byly vzneseny ohledně provozu LHC v CERN , ale tyto obavy jsou vědci odmítnuty jako přitažené za vlasy.
V případě neutronové hvězdy se scénář konverze zdá mnohem pravděpodobnější. Neutronová hvězda je v jistém smyslu obří jádro (průměr 20 km), držené pohromadě gravitací , ale je elektricky neutrální, a tak elektrostaticky neodpuzuje cizince. Pokud by podivný let zasáhl neutronovou hvězdu, zpočátku by přeměnil pouze její malou oblast, ale tato oblast by rostla a nakonec by spotřebovala celou hvězdu, čímž by vznikla podivná hvězda.
Debata o hypotéze podivné hmoty
Hypotéza podivné hmoty zůstává neprokázaná. Žádné přímé pátrání po cizincích v kosmickém záření nebo urychlovačích částic zatím cizince nepotvrdilo. Pokud by se prokázalo, že některý z objektů, jako jsou neutronové hvězdy, má povrch vyrobený z podivné hmoty, znamenalo by to, že podivná hmota je stabilní při nulovém tlaku , což by potvrdilo hypotézu podivné hmoty. Neexistují však žádné pádné důkazy pro povrchy podivné hmoty na neutronových hvězdách.
Dalším argumentem proti hypotéze je, že pokud by to byla pravda, v podstatě by všechny neutronové hvězdy měly být vyrobeny z podivné hmoty a jinak by neměla být žádná. I kdyby zpočátku existovalo jen několik podivných hvězd, násilné události, jako jsou srážky, by brzy vytvořily mnoho fragmentů podivné hmoty létající kolem vesmíru. Protože srážka s jediným podivným letem by přeměnila neutronovou hvězdu na podivnou hmotu, všechny nedávno vzniklé neutronové hvězdy kromě několika by již měly být přeměněny na podivnou hmotu.
Tento argument je stále diskutován, ale pokud je správný, pak ukázka, že jedna stará neutronová hvězda má konvenční kůru jaderné hmoty, by vyvrátila hypotézu podivné hmoty.
Kvůli jeho důležitosti pro hypotézu podivné hmoty existuje neustálé úsilí určit, zda jsou povrchy neutronových hvězd tvořeny podivnou hmotou nebo jadernou hmotou . Důkazy v současnosti podporují jadernou hmotu. To pochází z fenomenologie rentgenových záblesků , která je dobře vysvětlena v podmínkách kůry jaderné hmoty, a z měření seismických vibrací v magnetarech .