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extraño

Un Strangelet (pronunciado / ˈs t r eɪ n dʒ . l ɪ t / ) es una partícula hipotética que consiste en un estado unido de números aproximadamente iguales de quarks arriba , abajo y extraños . 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, en teoría, 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 suele denominarse estrella extraña . El término "extraño" se origina con Edward Farhi y Robert Jaffe en 1984. Los extraños pueden convertir materia en materia extraña al contacto. [1] Se ha sugerido a los Strangelets 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 descomponerse espontáneamente , a través de la interacción débil , en un quark arriba. En consecuencia, las partículas que contienen quarks extraños, como la partícula lambda , siempre pierden su extrañeza al descomponerse en partículas más ligeras que contienen sólo quarks arriba y abajo.

Sin embargo, los estados condensados ​​con un mayor número de quarks podrían no sufrir esta inestabilidad. Esa posible estabilidad frente a la descomposición es la " hipótesis de la materia extraña ", propuesta por separado por Arnold Bodmer [3] y Edward Witten . [4] Según esta hipótesis, cuando se concentra un número suficientemente grande de quarks juntos, el estado de menor energía es aquel que tiene aproximadamente el mismo número de quarks arriba, abajo y extraños, es decir, un Strangelet. Esta estabilidad se produciría gracias 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 arriba y abajo, 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 energética que superar: cuando la interacción débil comienza a convertir un núcleo en un extraño, los primeros quarks extraños forman bariones extraños, como el Lambda, que son pesados. Sólo si se producen muchas conversiones casi simultáneamente el número de quarks extraños alcanzará la proporción crítica necesaria para alcanzar 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 desintegraran en partículas extrañas porque su vida sería más larga que la edad del universo. [5]

Tamaño

La estabilidad de los Strangelets 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) a la detección de cargas, que permite que los pequeños extraños se carguen con una nube neutralizante de electrones. /positrones a su alrededor, pero requiere que grandes extraños, como cualquier gran trozo de materia, sean eléctricamente neutros en su interior. La distancia de detección de carga tiende a ser del orden de unos pocos femtómetros, por lo que sólo los pocos femtómetros exteriores de un extraño pueden transportar carga. [6]

Se desconoce la tensión superficial de la materia extraña. Si es menor que un valor crítico (unos pocos MeV por femtómetro cuadrado [7] ), entonces los extraños grandes son inestables y tenderán a fisionarse en extraños más pequeños (las estrellas extrañas aún estarían estabilizadas por la gravedad). Si es mayor que el valor crítico, los Strangelets se vuelven más estables a medida que crecen.

Ocurrencia natural o artificial

Aunque los núcleos no se descomponen en extraños, existen 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 podrían crearse en la naturaleza:

Estos escenarios ofrecen posibilidades para observar 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 acelerador

En los aceleradores de iones pesados ​​como el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC), los núcleos chocan a velocidades relativistas, creando quarks extraños y antiextraños que posiblemente podrían conducir a la producción de extraños. La firma experimental de un Strangelet sería su muy alta relación entre masa y carga, lo que haría que su trayectoria en un campo magnético fuera casi recta, aunque no del todo. La colaboración STAR ha buscado extraños producidos en el RHIC, [9] pero no encontró ninguno. Es incluso menos probable que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produzca extraños, [10] pero se han planificado búsquedas [11] del detector ALICE del LHC.

Detección basada en el espacio

El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS), un instrumento que está montado en la Estación Espacial Internacional , podría detectar extraños. [12]

Posible detección sísmica

En mayo de 2002, un grupo de investigadores de la Universidad Metodista del Sur informó sobre 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. [13] Los autores posteriormente se retractaron de su afirmación, después de descubrir que el reloj de una de las estaciones sísmicas tuvo un gran error durante el período relevante. [14]

Se ha sugerido que el Sistema Internacional de Vigilancia que se establezca para verificar el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares (TPCE) después de su entrada en vigor podría ser útil como una especie de "observatorio extraño" que utilice 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 objetos extraños que pasen por la Tierra en tiempo real si se explota adecuadamente.

Impactos en los cuerpos del Sistema Solar

Se ha sugerido que partículas extrañas de masa subplanetaria (es decir, meteoritos pesados) perforarían planetas y otros objetos del Sistema Solar, provocando cráteres de impacto que muestran rasgos característicos. [15]

Propagación potencial

Si la hipótesis de la materia extraña es correcta, y si existe un Strangelet estable con carga negativa y una tensión superficial mayor que el valor crítico antes mencionado, entonces un Strangelet más grande sería más estable que uno más pequeño. Una especulación que ha surgido de la idea es que un extraño que entre en contacto con un trozo de materia ordinaria podría con el tiempo convertir la materia ordinaria en materia extraña. [16] [17]

Esto no es una preocupación para los extraños en los rayos cósmicos porque se producen lejos de la Tierra y han tenido tiempo de desintegrarse a su estado fundamental , que según la mayoría de los modelos está cargado positivamente, por lo que son repelidos electrostáticamente por los núcleos y rara vez lo harían. fusionarse con ellos. [18] [19] Por otro lado, las colisiones de alta energía podrían producir estados extraños cargados negativamente, que podrían vivir el tiempo suficiente para interactuar con los núcleos de la materia ordinaria . [20]

El peligro de la conversión catalizada por extraños producidos en colisionadores de iones pesados ​​ha recibido cierta atención de los medios, [21] [22] y se plantearon preocupaciones de este tipo [16] [23] al comienzo del experimento RHIC en Brookhaven , que podría potencialmente haber creado extraños. Un análisis detallado [17] concluyó que las colisiones del RHIC eran comparables a las que ocurren naturalmente cuando los rayos cósmicos atraviesan el Sistema Solar , por lo que ya habríamos visto un desastre así si fuera posible. RHIC ha estado funcionando desde el año 2000 sin incidentes. Se han planteado preocupaciones similares sobre el funcionamiento del LHC en el CERN [24] , pero los científicos descartan esos temores por considerarlos exagerados. [24] [25] [26]

En el caso de una estrella de neutrones , el escenario de conversión puede 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 neutra y no repelería electrostáticamente a los extraños. Si un extraño choca contra una estrella de neutrones, podría catalizar quarks cerca de su superficie para formar más materia extraña, lo que podría continuar hasta que toda la estrella se convierta en una estrella extraña . [27]

Debate sobre la hipótesis de la materia extraña

La hipótesis de la materia extraña sigue sin demostrarse. Ninguna búsqueda directa de extraños en rayos cósmicos o aceleradores de partículas ha confirmado aún 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 reivindicaría la hipótesis de la materia extraña. Sin embargo, no hay pruebas sólidas de la existencia de superficies de materia extraña en las estrellas de neutrones.

Otro argumento en contra de la hipótesis es que si fuera cierta, esencialmente todas las estrellas de neutrones deberían estar hechas de materia extraña y, en caso contrario, ninguna debería estarlo. [28] Incluso si inicialmente solo hubiera unas pocas estrellas extrañas, eventos violentos como colisiones pronto crearían muchos fragmentos de materia extraña volando alrededor del universo. Debido a que la colisión con un solo extraño convertiría una estrella de neutrones en materia extraña, todas menos unas pocas de las estrellas de neutrones formadas más recientemente ya deberían haberse convertido en materia extraña.

Este argumento aún se debate, [29] [30] [31] [32] 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, se está realizando un esfuerzo por determinar si las superficies de las estrellas de neutrones están hechas de materia extraña o de materia nuclear . Actualmente la evidencia favorece la materia nuclear. Esto proviene de la fenomenología de los estallidos de rayos X , que se explica bien en términos de una corteza de materia nuclear, [33] y de la medición de las vibraciones sísmicas en magnetares . [34]

En ficción

Ver también

Otras lecturas

Referencias

  1. ^ Farhi, Eduardo; Jaffe, RL (1984). "Materia extraña". Revisión física D. 30 (11): 2379–2390. Código bibliográfico : 1984PhRvD..30.2379F. doi : 10.1103/PhysRevD.30.2379.
  2. ^ Witten, Edward (1984). "Separación cósmica de fases". Revisión física D. 30 (2): 272–285. Código bibliográfico : 1984PhRvD..30..272W. doi : 10.1103/PhysRevD.30.272.
  3. ^ Bodmer, AR (15 de septiembre de 1971). "Núcleos colapsados". Revisión física D. 4 (6): 1601–1606. Código bibliográfico : 1971PhRvD...4.1601B. doi : 10.1103/PhysRevD.4.1601.
  4. ^ Witten, Edward (15 de julio de 1984). "Separación cósmica de fases". Revisión física D. 30 (2): 272–285. Código bibliográfico : 1984PhRvD..30..272W. doi : 10.1103/PhysRevD.30.272.
  5. ^ Norbeck, E.; Onel, Y. (2011). "La saga del extraño". Revista de Física: Serie de conferencias . 316 (1): 012034–2. Código Bib : 2011JPhCS.316a2034N. doi : 10.1088/1742-6596/316/1/012034 .
  6. ^ Heiselberg, H. (1993). "Detección en gotas de quark". Revisión física D. 48 (3): 1418-1423. Código bibliográfico : 1993PhRvD..48.1418H. doi : 10.1103/PhysRevD.48.1418. PMID  10016374.
  7. ^ Alford, Mark G.; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrew W. (2006). "Estabilidad de cortezas estelares extrañas y extraños". Revisión física D. 73 (11): 114016. arXiv : hep-ph/0604134 . Código Bib : 2006PhRvD..73k4016A. doi : 10.1103/PhysRevD.73.114016. S2CID  35951483.
  8. ^ Banerjee, Shibaji; Ghosh, Sanjay K.; Raha, Sibaji; Syam, Debapriyo (2000). "¿Pueden los extraños cósmicos llegar a la Tierra?". Cartas de revisión física . 85 (7): 1384-1387. arXiv : hep-ph/0006286 . Código bibliográfico : 2000PhRvL..85.1384B. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.1384. PMID  10970510. S2CID  27542402.
  9. ^ Abelev, BI; Aggarwal, MM; Ahammed, Z.; Anderson, BD; Arkhipkin, D.; Averichev, GS; Bai, Y.; Balewski, J.; Baránnikova, O.; Barnby, LS; Baudot, J.; Baumgart, S.; Belaga, VV; Bellingeri-Laurikainen, A.; Bellwied, R.; Benedosso, F.; Betts, RR; Bhardwaj, S.; Bhasin, A.; Bhati, Alaska; Bichsel, H.; Bielcik, J.; Bielcikova, J.; Suave, LC; Blyth, S.-L.; Bombara, M.; Bonner, SER; Botje, M.; Bouchet, J.; et al. (2007). "Búsqueda extraña en colisiones Au + Au en s NN = 200 GeV". Revisión Física C. 76 (1): 011901. arXiv : nucl-ex/0511047 . Código bibliográfico : 2007PhRvC..76a1901A. doi : 10.1103/PhysRevC.76.011901. S2CID  119498771.
  10. ^ Ellis, Juan; Giudice, Gian; Mangano, Miguel Ángel; Tkachev, Igor; Wiedemann, Urs; Grupo de evaluación de seguridad del LHC (2008). "Revisión de la seguridad de las colisiones del LHC". Revista de Física G: Física Nuclear y de Partículas . 35 (11). 115004 (18 págs.). arXiv : 0806.3414 . Código Bib : 2008JPhG...35k5004E. doi :10.1088/0954-3899/35/11/115004. S2CID  53370175.Registro del CERN Archivado el 28 de septiembre de 2018 en Wayback Machine .
  11. ^ Sadovsky, SA; Kharlov, Yu. V.; Angelis, ELA; Gładysz-Dziaduš, E.; Korotkikh, VL; Mavromanolakis, G.; Panagiotou, AD (2004). "Modelo para describir la producción de eventos Centauro y Strangelets en colisiones de iones pesados". Física de los Núcleos Atómicos . 67 (2): 396–405. arXiv : nucl-th/0301003 . Código Bib : 2004PAN....67..396S. doi :10.1134/1.1648929. S2CID  117706766.
  12. ^ Sandweiss, J. (2004). "Descripción general de las búsquedas de extraños y espectrómetro magnético alfa: ¿cuándo dejaremos de buscar?". Revista de Física G: Física Nuclear y de Partículas . 30 (1): S51-S59. Código Bib : 2004JPhG...30S..51S. doi :10.1088/0954-3899/30/1/004.
  13. ^ Anderson, DP; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrés (2003). "Conjuntos inexplicables de informes de estaciones sismográficas y un conjunto coherente con un pasaje de Quark Nugget". El Boletín de la Sociedad Sismológica de América . 93 (6): 2363–2374. arXiv : astro-ph/0205089 . Código Bib : 2003BuSSA..93.2363A. doi :10.1785/0120020138. S2CID  43388747.
  14. ^ Herrin, Eugene T.; Rosenbaum, Doris C.; Teplitz, Vigdor L.; Steiner, Andrés (2006). "Búsqueda sísmica de extrañas pepitas de quarks". Revisión física D. 73 (4): 043511. arXiv : astro-ph/0505584 . Código bibliográfico : 2006PhRvD..73d3511H. doi : 10.1103/PhysRevD.73.043511. S2CID  119368573.
  15. ^ Rafelski, Johann; Labun, Lanza; Birrell, Jeremías; Steiner, Andrés (2013). "Impactadores compactos de materia ultradensa". Cartas de revisión física . 110 (11): 111102. arXiv : 1104.4572 . Código Bib : 2011arXiv1104.4572R. doi :10.1103/PhysRevLett.110.111102. PMID  25166521. S2CID  28532909. Archivado desde el original el 22 de marzo de 2022 . Consultado el 13 de noviembre de 2011 .
  16. ^ abDar , A.; De Rujula, A.; Heinz, Ulrich; Steiner, Andrés (1999). "¿Los colisionadores relativistas de iones pesados ​​destruirán nuestro planeta?". Letras de Física B. 470 (1–4): 142–148. arXiv : hep-ph/9910471 . Código Bib : 1999PhLB..470..142D. doi :10.1016/S0370-2693(99)01307-6. S2CID  17837332.
  17. ^ ab Jaffe, RL; Busza, W.; Wilczek, F.; Sandweiss, J. (2000). "Revisión de escenarios especulativos de desastres en RHIC". Reseñas de Física Moderna . 72 (4): 1125-1140. arXiv : hep-ph/9910333 . Código Bib : 2000RvMP...72.1125J. doi :10.1103/RevModPhys.72.1125. S2CID  444580.
  18. ^ Madsen, Jes; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrés (2000). "Los Strangelets de masa intermedia tienen carga positiva". Cartas de revisión física . 85 (22): 4687–4690. arXiv : hep-ph/0008217 . Código Bib : 2000PhRvL..85.4687M. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.4687. PMID  11082627. S2CID  44845761.
  19. ^ Madsen, Jes; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrés (2006). "Strangelets en rayos cósmicos". arXiv : astro-ph/0612784 .
  20. ^ Schaffner-Bielich, Jürgen; Greiner, Carsten; Diener, Alejandro; Stöcker, Horst (1997). "Detectabilidad de materia extraña en experimentos con iones pesados". Revisión Física C. 55 (6): 3038–3046. arXiv : nucl-th/9611052 . Código bibliográfico : 1997PhRvC..55.3038S. doi : 10.1103/PhysRevC.55.3038. S2CID  12781374.
  21. ^ Robert Matthews (28 de agosto de 1999). "Un agujero negro se comió mi planeta". Científico nuevo . Archivado desde el original el 22 de marzo de 2019 . Consultado el 25 de abril de 2019 .
  22. ^ Horizon: End Days , un episodio de la serie de televisión de la BBC Horizon
  23. ^ Wagner, Walter L. (1999). "¿Agujeros negros en Brookhaven?". Científico americano . 281 (1): 8. JSTOR  26058304.
  24. ^ ab Dennis Overbye (29 de marzo de 2008). "Pedirle a un juez que salve el mundo y tal vez mucho más". New York Times . Archivado desde el original el 28 de diciembre de 2017 . Consultado el 23 de febrero de 2017 .
  25. ^ "Seguridad en el LHC". Archivado desde el original el 13 de mayo de 2008 . Consultado el 11 de junio de 2008 .
  26. ^ J. Blaizot y col. , "Estudio de eventos potencialmente peligrosos durante colisiones de iones pesados ​​en el LHC", registro de la biblioteca del CERN Archivado el 2 de abril de 2019 en Wayback Machine CERN Yellow Reports Server (PDF)
  27. ^ Alcock, Carlos; Farhi, Edward y Olinto, Ángela (1986). "Estrellas extrañas". Revista Astrofísica . 310 : 261. Código bibliográfico : 1986ApJ...310..261A. doi :10.1086/164679.
  28. ^ Caldwell, RR; Friedman, John L. (1991). "Evidencia contra un extraño estado fundamental de los bariones". Letras de Física B. 264 (1–2): 143–148. Código bibliográfico : 1991PhLB..264..143C. doi :10.1016/0370-2693(91)90718-6.
  29. ^ Alford, Mark G.; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrés (2003). "Strangelets como rayos cósmicos más allá del límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin". Cartas de revisión física . 90 (12): 121102. arXiv : astro-ph/0211597 . Código Bib : 2003PhRvL..90l1102M. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.121102. PMID  12688863. S2CID  118913495.
  30. ^ Balberg, Shmuel; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrés (2004). "Comentario sobre Strangelets como rayos cósmicos más allá del límite de Greisen-Zatsepin-Kuzmin ". Cartas de revisión física . 92 (11): 119001. arXiv : astro-ph/0403503 . Código bibliográfico : 2004PhRvL..92k9001B. doi :10.1103/PhysRevLett.92.119001. PMID  15089181. S2CID  35971928.
  31. ^ Madsen, Jes; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrés (2004). "Madsen responde". Cartas de revisión física . 92 (11): 119002. arXiv : astro-ph/0403515 . Código Bib : 2004PhRvL..92k9002M. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.119002. S2CID  26518446.
  32. ^ Madsen, Jes (2005). "Propagación extraña y flujo de rayos cósmicos". Revisión física D. 71 (1): 014026. arXiv : astro-ph/0411538 . Código bibliográfico : 2005PhRvD..71a4026M. doi : 10.1103/PhysRevD.71.014026. S2CID  119485839.
  33. ^ Heger, Alejandro; Cumming, Andrés; Galloway, Duncan K.; Woosley, Stanford E. (2007). "Modelos de ráfagas de rayos X tipo I de GS 1826-24: una sonda de quema de hidrógeno en proceso rp". La revista astrofísica . 671 (2): L141. arXiv : 0711.1195 . Código Bib : 2007ApJ...671L.141H. doi :10.1086/525522. S2CID  14986572.
  34. ^ Watts, Anna L.; Reddy, Sanjay (2007). "Las oscilaciones magnéticas plantean desafíos para las estrellas extrañas". Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica . 379 (1): L63. arXiv : astro-ph/0609364 . Código Bib : 2007MNRAS.379L..63W. doi :10.1111/j.1745-3933.2007.00336.x. S2CID  14055493.
  35. ↑ Odisea 5 : Problemas con Harry Archivado el 30 de septiembre de 2019 en Wayback Machine , un episodio de la serie de televisión canadiense de ciencia ficción Odisea 5 de Manny Coto (2002)

enlaces externos