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Un strangelet (pronunciado / ˈ s t r eɪ n dʒ . l ɪ t / ) es una partícula hipotética que consiste en un estado ligado de cantidades aproximadamente iguales de quarks up , down y...

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Un strangelet (pronunciado / ˈ s t r eɪ n dʒ . l ɪ t / ) es una partícula hipotética que consiste en un estado ligado de cantidades aproximadamente iguales de quarks up , down y strange . Una descripción equivalente es que un strangelet 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 ligero) hasta arbitrariamente grande. Una vez que el tamaño se vuelve macroscópico (del orden de metros de diámetro), dicho objeto se suele llamar estrella extraña . El término "strangelet" se originó con Edward Farhi y Robert Jaffe en 1984. Se ha teorizado que los strangelets pueden convertir materia en materia extraña al contacto. [ 1 ] Los strangelets también se han sugerido como candidatos a materia oscura . [ 2 ]

Posibilidad teórica

hipótesis de la materia extraña

Las partículas conocidas con quarks extraños son inestables. Debido a que el quark extraño es más pesado que los quarks arriba y abajo, puede desintegrarse espontáneamente , mediante la interacción débil , en un quark arriba, un electrón y un antineutrino. Por consiguiente, las partículas que contienen quarks extraños, como la partícula lambda , siempre pierden su extrañeza al desintegrarse en partículas más ligeras que contienen únicamente quarks arriba y abajo.

Sin embargo, los estados condensados ​​con un mayor número de quarks podrían no sufrir esta inestabilidad. La posibilidad de que algún cúmulo suficientemente denso de materia nuclear que contenga algunos quarks extraños pueda ser estable frente a la desintegración es la "hipótesis de la materia extraña" , propuesta por separado por Arnold Bodmer en 1971 [ 3 ] y por Edward Witten en 1984. [ 2 ] Según esta hipótesis, cuando un número suficientemente grande de quarks se concentra junto, el estado de energía más bajo es uno que tiene aproximadamente el mismo número de quarks arriba, abajo y extraños, es decir, un strangelet. 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 que más quarks se coloquen en niveles de energía más bajos, por lo tanto confinados en un espacio más pequeño a la misma presión.

Relación con los núcleos

Un nucleón es una partícula nuclear (en algunos núcleos, un número considerable de ellos) compuesta por varios quarks arriba y abajo, confinados en tripletes ( neutrones y protones ). Según la hipótesis de la materia extraña, los strangelets son más estables que los núcleos, por lo que se espera que estos últimos se desintegren en strangelets. Sin embargo, este proceso puede ser extremadamente lento debido a la gran barrera energética que existe: cuando la interacción débil comienza a transformar un núcleo en un strangelet, los primeros quarks extraños forman bariones extraños, como el Lambda, que son pesados. Solo si se producen muchas conversiones casi simultáneamente, el número de quarks extraños alcanzará la proporción crítica necesaria para lograr un estado de menor energía. Esto es muy improbable, por lo que, incluso si la hipótesis de la materia extraña fuera correcta, nunca se observaría la desintegración de núcleos en strangelets, ya que su vida útil sería mayor que la edad del universo. [ 4 ]

Tamaño

La estabilidad de los strangelets más pequeños (a diferencia de las estrellas extrañas ) depende de su tamaño, debido a la tensión superficial o al apantallamiento de carga .

  • La tensión superficial natural de la materia extraña en la interfaz entre la materia de quarks y el vacío afecta más a los strangelets pequeños que a los grandes, pero se desconoce la tensión superficial natural real de la materia extraña. Si es menor que un valor crítico de unos pocos MeV por femtómetro cuadrado [ 5 ] , entonces los strangelets de mayor tamaño son inestables y tenderán a fisionarse en strangelets más pequeños; sin embargo, las estrellas extrañas aún se estabilizarían por la gravedad que las mantiene unidas, y si se fracturan, comprimiendo las partes de nuevo. Si la tensión superficial natural de la materia extraña es mayor que el valor crítico (desconocido), entonces los strangelets se vuelven más estables a medida que aumentan de tamaño/masa.
  • Los efectos del apantallamiento de carga permiten que los strangelets pequeños se carguen, con una nube neutralizadora de electrones/positrones a su alrededor, pero aún requieren que los strangelets más grandes —como cualquier pieza grande de cualquier tipo de materia— sean eléctricamente neutros en su interior. La distancia de apantallamiento de carga tiende a ser del orden de unos pocos femtómetros, por lo que solo los pocos femtómetros exteriores de un strangelet pueden tener carga. [ 6 ]

Ocurrencia natural o artificial

Aunque los núcleos no se desintegran en strangelets, existen otras formas de crearlos, por lo que, si la hipótesis de la materia extraña es correcta, debería haber strangelets en el universo. Hay al menos tres maneras en que podrían crearse en la naturaleza:

Extraños fragmentos cosmológicos
En el universo primitivo, cuando se produjo la transición de fase de confinamiento de la cromodinámica cuántica (QCD) , es posible que se crearan strangelets 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, al colisionar entre sí o con estrellas de neutrones, proporcionen la energía suficiente para superar la barrera energética y crear strangelets a partir de materia nuclear. Algunos eventos exóticos de rayos cósmicos identificados, como el " evento de Price " —es decir, aquellos con relaciones carga-masa muy bajas (ya que el quark s posee una carga comparable a la del quark d , más conocido , pero es mucho más masivo)— podrían haber registrado strangelets. [ 7 ] [ 8 ]
Impactos de rayos cósmicos
Además de las colisiones frontales de rayos cósmicos, los rayos cósmicos de ultra alta energía que impactan en la atmósfera terrestre pueden crear strangelets.

Estos escenarios ofrecen posibilidades para observar strangelets. Si los strangelets pueden producirse en colisiones de alta energía, podrían producirse en colisionadores de iones pesados. Del mismo modo, si existen strangelets viajando por el universo, ocasionalmente uno podría impactar contra la Tierra, donde podría aparecer como un tipo exótico de rayo cósmico; alternativamente, un strangelet estable podría incorporarse a la mayor parte de la materia terrestre, adquiriendo una capa electrónica proporcional a su carga y, por lo tanto, apareciendo como un isótopo anómalamente pesado del elemento correspondiente, aunque las búsquedas de tales "isótopos" anómalos no han tenido éxito hasta el momento. [ 9 ]

Producción de aceleradores

En aceleradores de iones pesados ​​como el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC), los núcleos colisionan a velocidades relativistas, creando quarks extraños y anti-extraños que podrían conducir a la producción de strangelets. La señal experimental de un strangelet sería su muy alta relación masa/carga, lo que haría que su trayectoria en un campo magnético fuera casi, pero no del todo, recta. La colaboración STAR ha buscado strangelets producidos en el RHIC, [ 10 ] pero no se encontró ninguno. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) tiene aún menos probabilidades de producir strangelets, [ 11 ] pero se planean búsquedas [ 12 ] para el detector ALICE del LHC .

Detección basada en el espacio

El espectrómetro magnético alfa (AMS), un instrumento instalado en la Estación Espacial Internacional , podría detectar strangelets. [ 13 ]

Posible detección sísmica

En mayo de 2002, un grupo de investigadores de la Universidad Metodista del Sur informó sobre la posibilidad de que los strangelets pudieran haber sido responsables de los eventos sísmicos registrados el 22  de octubre y el 24  de noviembre de 1993. [ 14 ] Posteriormente, los autores se retractaron de su afirmación tras descubrir que el reloj de una de las estaciones sísmicas tenía un gran error durante el período en cuestión. [ 15 ]

Se ha sugerido que el Sistema Internacional de Vigilancia ( IMS ), que se establecerá para verificar el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (TPCEN) tras su entrada en vigor, podría ser útil como una especie de "observatorio de strangelets" que utilice la Tierra entera como detector. El IMS estará diseñado para detectar perturbaciones sísmicas anómalas con una liberación de energía de hasta 1 kilotón de TNT (4,2 TJ ) o menos, y podría rastrear strangelets que atraviesan la Tierra en tiempo real si se aprovecha adecuadamente. 

Impactos en los cuerpos del Sistema Solar

Se ha sugerido que los strangelets de masa subplanetaria (es decir, meteoritos pesados) perforarían planetas y otros objetos del Sistema Solar, dando lugar a cráteres de impacto que muestran características distintivas. [ 16 ]

Propagación potencial

Si la hipótesis de la materia extraña es correcta, y si existe una partícula extraña estable con carga negativa y una tensión superficial mayor que el valor crítico mencionado, entonces una partícula extraña de mayor tamaño sería más estable que una de menor tamaño. Una especulación derivada de esta idea es que una partícula extraña que entra en contacto con un trozo de materia ordinaria podría, con el tiempo, convertir dicha materia ordinaria en materia extraña. [ 17 ] [ 18 ]

Esto no es una preocupación para los strangelets en los rayos cósmicos porque se producen lejos de la Tierra y han tenido tiempo de decaer a su estado fundamental , que según la mayoría de los modelos tiene carga positiva, por lo que son repelidos electrostáticamente por los núcleos y rara vez se fusionarían con ellos. [ 19 ] [ 20 ] Por otro lado, las colisiones de alta energía podrían producir estados strangelets con carga negativa, que podrían vivir lo suficiente como para interactuar con los núcleos de la materia ordinaria . [ 21 ]

El peligro de conversión catalizada por strangelets producidos en colisionadores de iones pesados ​​ha recibido cierta atención mediática, [ 22 ] [ 23 ] y se plantearon preocupaciones de este tipo [ 17 ] [ 24 ] al inicio del experimento RHIC en Brookhaven , que potencialmente podría haber creado strangelets. Un análisis detallado [ 18 ] concluyó que las colisiones del RHIC eran comparables a las que ocurren naturalmente cuando los rayos cósmicos atraviesan el Sistema Solar , y por lo tanto, tal desastre ya habría ocurrido de ser posible. El RHIC ha estado operando desde el año 2000 sin incidentes. Se han planteado preocupaciones similares sobre el funcionamiento del LHC en el CERN [ 25 ] pero los científicos descartan tales temores como inverosímiles. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

En el caso de una estrella de neutrones , el escenario de conversión podría ser más plausible. Una estrella de neutrones es, en cierto sentido, un núcleo gigante (de 20  km de diámetro), mantenido unido por la gravedad , pero es eléctricamente neutro y no repelería electrostáticamente a los strangelets. Si un strangelet impactara contra una estrella de neutrones, podría catalizar la formación de quarks cerca de su superficie para que se convirtieran en más materia extraña, un proceso que potencialmente continuaría hasta que toda la estrella se convirtiera en una estrella extraña . [ 28 ]

Debate sobre la hipótesis de la materia extraña

La hipótesis de la materia extraña sigue sin probarse. Ninguna búsqueda directa de strangelets en rayos cósmicos o aceleradores de partículas ha confirmado su existencia. Si se demostrara que alguno de estos objetos, como las estrellas de neutrones , tiene una superficie compuesta de materia extraña, esto indicaría que dicha materia es estable a presión cero , lo que confirmaría la hipótesis. Sin embargo, no existen pruebas contundentes de la presencia de superficies de materia extraña en las estrellas de neutrones.

Otro argumento en contra de la hipótesis es que, si fuera cierta, prácticamente todas las estrellas de neutrones deberían estar hechas de materia extraña, y de lo contrario ninguna. [ 29 ] Incluso si inicialmente solo hubiera unas pocas estrellas extrañas, eventos violentos como colisiones pronto crearían muchos fragmentos de materia extraña que volarían por el universo. Dado que la colisión con un solo strangelet convertiría una estrella de neutrones en materia extraña, casi todas las estrellas de neutrones formadas más recientemente ya deberían haberse convertido en materia extraña.

Este argumento aún se debate, [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] pero si es correcto, entonces demostrar que una estrella de neutrones antigua 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, se está trabajando para determinar si las superficies de las estrellas de neutrones están compuestas de materia extraña o de materia nuclear . Actualmente, la evidencia favorece la materia nuclear. Esto se deriva de la fenomenología de los estallidos de rayos X , que se explica bien en términos de una corteza de materia nuclear, [ 34 ] y de la medición de vibraciones sísmicas en magnetares . [ 35 ]

En la ficción

  • Un episodio de la serie de televisión Odyssey 5 mostró un intento de destruir el planeta mediante la creación intencional de strangelets con carga negativa en un acelerador de partículas . [ 36 ]
  • El docudrama de la BBC , End Day, presenta un escenario en el que explota un acelerador de partículas en la ciudad de Nueva York . Esto crea una partícula extraña que desencadena una reacción en cadena que destruye la Tierra.
  • El relato de Robert L. Forward, "A Matter Most Strange", incluido en la colección Indistinguishable from Magic, trata sobre la creación de un strangelet en un acelerador de partículas .
  • En la novela Impacto , de Douglas Preston , publicada en 2010 , una máquina alienígena crea strangelets. Estos strangelets impactan contra la Tierra y la Luna y las atraviesan.
  • La novela Phobos de Steve Alten , publicada en 2011 y escrita como la tercera y última parte de su trilogía Domain , presenta una historia ficticia en la que se crean extrañas criaturas en el LHC de forma involuntaria , que escapan de él para destruir la Tierra.
  • En la novela de humor negro de Donald E. Westlake de 1992 , Humans , un Dios irritado envía un ángel a la Tierra para provocar el Armagedón mediante el uso de un strangelet creado en un acelerador de partículas para convertir la Tierra en una estrella de quarks.
  • En la película Apocalipsis cuántico de 2010 , un pequeño ser extraño se acerca a la Tierra desde el espacio.
  • En la novela de Hannu Rajaniemi , El ladrón cuántico (y en el resto de la trilogía de Jean le Flambeur del mismo autor ), los strangelets se utilizan principalmente como armas, pero durante un proyecto inicial para terraformar Marte, uno de ellos se utilizó para convertir Fobos en un "sol" auxiliar.

Véase también

Lecturas adicionales

  • Holden, Joshua (17 de mayo de 1998). "La historia de los strangelets" . Departamento de Física y Astronomía (página web académica). New  Brunswick–Piscataway, NJ: Universidad de Rutgers . Archivado del original el 7 de enero de 2010. Recuperado el 1 de abril de 2010 .
  • Weber, Fridolin (2005). "Materia de quarks extraños y estrellas compactas". Progress in Particle and Nuclear Physics . 54 (1): 193– 288. arXiv : astro-ph/0407155 . Bibcode : 2005PrPNP..54..193W . doi : 10.1016/j.ppnp.2004.07.001 . S2CID 15002134 . 
  • Madsen, Jes (1999). «Física y astrofísica de la materia de quarks extraños». Hadrones en materia densa y hadrosíntesis . Lecture Notes in Physics. Vol.  516. pp. 162–203 . arXiv : astro-ph/9809032 . doi : 10.1007/BFb0107314 . ISBN  978-3-540-65209-0. S2CID 16566509 . 

Referencias

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