Странджлет - Strangelet

Страпелька является гипотетической частицей , состоящей из связанного состояния из примерно равных количеств вверх , вниз , и странных кварков . Эквивалентное описание состоит в том, что стринглет - это небольшой фрагмент странной материи , достаточно маленький, чтобы его можно было рассматривать как частицу . Размер объекта, состоящего из странной материи, теоретически может варьироваться от нескольких фемтометров (с массой легкого ядра) до произвольно больших. Когда размер становится макроскопическим (порядка метров в поперечнике), такой объект обычно называют странной звездой . Термин «стринглет» появился в 1984 году у Эдварда Фархи и Роберта Джаффе . Странджлеты могут превращать материю в странную материю при контакте. Странджлеты были предложены в качестве кандидата на темную материю .

Теоретическая возможность

Гипотеза странной материи

Известные частицы со странными кварками нестабильны. Поскольку странный кварк тяжелее, чем верхний и нижний кварки, он может спонтанно распадаться посредством слабого взаимодействия на верхний кварк. Следовательно, частицы, содержащие странные кварки, такие как лямбда-частица , всегда теряют свою странность , распадаясь на более легкие частицы, содержащие только верхние и нижние кварки.

Однако конденсированные состояния с большим числом кварков могут не страдать от этой нестабильности. Эта возможная устойчивость к распаду - это « гипотеза странной материи », предложенная отдельно Арнольдом Бодмером и Эдвардом Виттеном . Согласно этой гипотезе, когда достаточно большое количество кварков сконцентрировано вместе, самое низкое энергетическое состояние - это то, которое имеет примерно равное количество верхних, нижних и странных кварков, а именно странный кварк. Эта стабильность будет происходить из-за принципа исключения Паули ; наличие трех типов кварков, а не двух, как в обычной ядерной материи, позволяет разместить больше кварков на более низких энергетических уровнях.

Связь с ядрами

Ядро - это совокупность большого количества верхних и нижних кварков, заключенных в триплеты ( нейтроны и протоны ). Согласно гипотезе странной материи, странные вещества более стабильны, чем ядра, поэтому ожидается, что ядра распадаются на странные вещества. Но этот процесс может быть чрезвычайно медленным, потому что необходимо преодолеть большой энергетический барьер: когда слабое взаимодействие начинает превращать ядро ​​в странный кварк, первые несколько странных кварков образуют странные барионы, такие как Лямбда, которые являются тяжелыми. Только если много конверсий произойдет почти одновременно, количество странных кварков достигнет критической пропорции, необходимой для достижения более низкого энергетического состояния. Это очень маловероятно, поэтому, даже если бы гипотеза странной материи была верна, ядра никогда бы не распались на странные, потому что их время жизни было бы больше, чем возраст Вселенной.

Размер

Стабильность стринглетов зависит от их размера. Это происходит из-за (а) поверхностного натяжения на границе раздела кварковой материи и вакуума (которое влияет на маленькие странные частицы больше, чем на большие), и (б) экранирования зарядов, которое позволяет заряжать маленькие странности с помощью нейтрализующего облака электронов. / позитронов вокруг них, но требует, чтобы большие странные частицы, как и любой крупный кусок материи, были электрически нейтральными внутри. Расстояние экранирования заряда, как правило, составляет несколько фемтометров, поэтому только несколько внешних фемтометров странджлета могут нести заряд.

Поверхностное натяжение странной материи неизвестно. Если оно меньше критического значения (несколько МэВ на квадратный фемтометр), то большие странные звезды нестабильны и будут стремиться к делению на более мелкие странные звезды (странные звезды все равно будут стабилизированы гравитацией). Если оно больше критического значения, то по мере роста стрейджлеты становятся более стабильными.

Естественное или искусственное возникновение

Хотя ядра не распадаются на странные, есть и другие способы их создания, поэтому, если гипотеза странной материи верна, во Вселенной должны быть странные частицы. Есть как минимум три способа их создания в природе:

  • Космогонически, то есть в ранней Вселенной, когда произошел фазовый переход ограничения КХД . Вполне возможно, что странники были созданы вместе с нейтронами и протонами, которые образуют обычную материю.
  • Высокоэнергетические процессы. Вселенная наполнена частицами очень высоких энергий ( космическими лучами ). Возможно, что, когда они сталкиваются друг с другом или с нейтронными звездами, они могут дать достаточно энергии, чтобы преодолеть энергетический барьер и создать странные звезды из ядерной материи. Некоторые идентифицировали экзотические явления космических лучей, такие как событие Прайса с очень низким отношением заряда к массе, возможно, уже зарегистрировали страннлетки.
  • Космические лучи. Помимо лобовых столкновений космических лучей, космические лучи сверхвысокой энергии, воздействующие на атмосферу Земли, могут создавать странные летучие мыши.

Эти сценарии предлагают возможности для наблюдения за странностями. Если по вселенной летают стринджлеты, то время от времени странные летательные аппараты должны попадать на Землю, где они проявляются как экзотический тип космических лучей. Если странные соударения могут образовываться в столкновениях высоких энергий, то они могут быть созданы коллайдерами тяжелых ионов.

Производство ускорителей

В ускорителях тяжелых ионов, таких как коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC), ядра сталкиваются с релятивистскими скоростями, создавая странные кварки и кварки, препятствующие возникновению странных волн, которые, вероятно, могут привести к образованию странных частиц. Экспериментальным признаком странджлета будет его очень высокое отношение массы к заряду, из-за чего его траектория в магнитном поле будет почти, но не совсем прямой. Сотрудничество СТАР искал для странглетов производства на RHIC, но ни один не был найден. Большой адронный коллайдер (БАК) , еще менее вероятно, производят странглетов, но поиски запланированы на LHC ALICE детектора.

Обнаружение из космоса

Альфа магнитный спектрометр (AMS), инструмент , который установлен на Международной космической станции , может обнаружить Странглеты.

Возможное сейсмическое обнаружение

В мае 2002 года группа исследователей из Южного методистского университета сообщила о возможности того, что странники могли быть ответственны за сейсмические события, зарегистрированные 22 октября и 24 ноября 1993 года. Позднее авторы отказались от своих претензий, обнаружив, что часы одного из сейсмические станции имели большую погрешность в соответствующий период.

Было высказано предположение, что Международная система мониторинга , создаваемая для проверки Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) после его вступления в силу, может быть полезной в качестве своего рода «странноватой обсерватории», использующей всю Землю в качестве своего детектора. IMS будет спроектирована для обнаружения аномальных сейсмических возмущений с выделением энергии до 1 килотонны в тротиловом эквиваленте (4,2  ТДж ) или меньше, и при правильном использовании она сможет отслеживать проходящие через Землю странники в реальном времени.

Воздействие на тела Солнечной системы

Было высказано предположение, что странные частицы субпланетной, то есть тяжелой массы метеорита, будут пробивать планеты и другие объекты солнечной системы, приводя к ударным (выходным) кратерам, которые имеют характерные особенности.

Опасности

Если гипотеза о странной материи верна, и если существует стабильный отрицательно заряженный странный стрейнджлет с поверхностным натяжением, превышающим вышеупомянутое критическое значение, то более крупный странный странный объект будет более устойчивым, чем меньший. Одно предположение, которое возникло в результате этой идеи, состоит в том, что странный член, соприкасаясь с куском обычной материи, может преобразовать обычную материю в странную материю.

Странджлетов в космических лучах не беспокоит, потому что они производятся далеко от Земли и успели распасться до своего основного состояния , которое, согласно прогнозам большинства моделей, будет положительно заряженным, поэтому они электростатически отталкиваются ядрами и редко бывают. слиться с ними. С другой стороны, столкновения при высоких энергиях могут вызвать отрицательно заряженные состояния странностей, которые могут существовать достаточно долго, чтобы взаимодействовать с ядрами обычной материи .

Опасность каталитического преобразования странных частиц, производимых в коллайдерах тяжелых ионов, привлекла некоторое внимание средств массовой информации, и в начале эксперимента RHIC в Брукхейвене были высказаны опасения такого рода , которые потенциально могли привести к созданию странностей. Подробный анализ пришел к выводу, что столкновения с RHIC были сопоставимы со столкновениями, которые происходят естественным образом, когда космические лучи пересекают солнечную систему , поэтому мы бы уже видели такую ​​катастрофу, если бы это было возможно. RHIC работает без происшествий с 2000 года. Аналогичные опасения высказывались по поводу работы LHC в ЦЕРНе, но такие опасения отвергаются учеными как надуманные.

В случае нейтронной звезды сценарий конверсии кажется гораздо более правдоподобным. Нейтронная звезда - это в некотором смысле гигантское ядро ​​(20 км в поперечнике), удерживаемое гравитацией , но оно электрически нейтрально и поэтому не отталкивает странным образом электростатически. Если стрэнджлет поразит нейтронную звезду, он сможет преобразовать небольшую ее часть, и эта область вырастет, поглотив всю звезду, создав кварковую звезду .

Споры о гипотезе странной материи

Гипотеза странной материи остается недоказанной. Никакие прямые поиски стринглетов в космических лучах или ускорителях элементарных частиц не обнаружили странных образов. Если бы любой из объектов, таких как нейтронные звезды, мог бы иметь поверхность, состоящую из странной материи, это указывало бы на то, что странная материя стабильна при нулевом давлении , что подтвердило бы гипотезу странной материи. Однако убедительных доказательств существования странных поверхностей материи на нейтронных звездах нет.

Другой аргумент против этой гипотезы состоит в том, что если бы это было правдой, по существу все нейтронные звезды должны были бы состоять из странной материи, а в противном случае - ни одной. Даже если бы изначально было всего несколько странных звезд, сильные события, такие как столкновения, вскоре создали бы множество фрагментов странной материи, летающих по Вселенной. Поскольку столкновение с одним странным телом превратит нейтронную звезду в странную материю, все нейтронные звезды, образовавшиеся недавно, за исключением нескольких, должны были к настоящему времени уже преобразоваться в странную материю.

Этот аргумент все еще обсуждается, но если он верен, то показ того, что одна старая нейтронная звезда имеет обычную ядерную корку, опровергнет гипотезу странной материи.

Из-за его важности для гипотезы странной материи постоянно предпринимаются попытки определить, состоят ли поверхности нейтронных звезд из странной материи или из ядерной материи . Доказательства в настоящее время говорят в пользу ядерной материи. Это происходит от феноменологии из рентгеновских всплесков , которые хорошо объясняются в терминах материи коры ядерной, и от измерения сейсмических колебаний в магнитарах .

В фантастике

  • В эпизоде ​​« Одиссеи 5» была предпринята попытка уничтожить планету путем намеренного создания отрицательно заряженных странностей в ускорителе частиц .
  • В документальной драме BBC « Конец дня» рассказывается о сценарии, в котором ускоритель элементарных частиц в Нью-Йорке взрывается, создавая странный объект и вызывая катастрофическую цепную реакцию, разрушающую Землю.
  • Рассказ Роберта Л. Форварда « Самая странная материя» из сборника « Неотличимые от магии » посвящен созданию странного летательного аппарата в ускорителе элементарных частиц .
  • «Удар» , опубликованный в 2010 году и написанный Дугласом Престоном , имеет дело с инопланетной машиной, которая создает странные летучие мыши. Стрэнджлеты машины ударяются о Землю и Луну и проходят сквозь них.
  • Роман « Фобос» , опубликованный в 2011 году и написанный Стивом Альтеном как третья и заключительная часть его трилогии « Домен », представляет собой вымышленную историю, в которой на БАК непреднамеренно создаются странники, которые сбегают с него, чтобы уничтожить Землю.
  • В 1992 году черно-комедии новых Людей по Уэстлекам , раздраженный Бог посылает ангел на Землю , чтобы вызвать Армагеддон путем использование страпельки созданной в ускорителе частиц , чтобы превратить Землю в кварковой звезды.
  • В фильме 2010 года « Квантовый апокалипсис» странный человек приближается к Земле из космоса.
  • В романе Ханну Раджаниеми «Квантовый вор » и в остальной части трилогии стрэнджлеты в основном используются в качестве оружия, но во время раннего проекта по терраформированию Марса один из них использовался для превращения Фобоса в дополнительное «солнце».

Смотрите также

дальнейшее чтение

  • Холден, Джошуа (17 мая 1998 г.). «История Странджлетов» . Рутгерс . Архивировано из оригинала на 7 января 2010 года . Проверено 1 апреля 2010 года .
  • Фридолин Вебер (2005). «Странное кварковое вещество и компактные звезды». Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике . 54 (1): 193–288. arXiv : astro-ph / 0407155 . Bibcode : 2005PrPNP..54..193W . DOI : 10.1016 / j.ppnp.2004.07.001 . S2CID  15002134 .
  • Джес Мэдсен (1999). «Физика и астрофизика странной кварковой материи». Адроны в плотной материи и адросинтез . Конспект лекций по физике. 516 . С. 162–203. arXiv : astro-ph / 9809032 . DOI : 10.1007 / BFb0107314 . ISBN 978-3-540-65209-0. S2CID  16566509 .

использованная литература

внешние ссылки