Extraño

Tipo de partícula hipotética

Un strangelet (pronunciado / ˈs t r eɪ n dʒ . l ɪ t / ) es una partícula hipotética que consiste en un estado ligado de números 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 generalmente se llama estrella extraña . El término "strangelet" se origina con Edward Farhi y Robert Jaffe en 1984. Se ha teorizado que los strangelets pueden convertir la materia en materia extraña al contacto. ^[1] Los strangelets también se han sugerido como un candidato 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 decaer 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 decaer en partículas más ligeras que contienen solo 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 desintegración 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 energía más bajo es aquel que tiene aproximadamente el mismo número de quarks up, down y strange, 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 colocar más quarks en niveles de energía más bajos.

Relación con los núcleos

Un núcleo es una colección de un número de quarks up y down (en algunos núcleos un número bastante grande), 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 los núcleos se desintegren en strangelets. Pero este proceso puede ser extremadamente lento porque hay una gran barrera de energía que superar: a medida que la interacción débil comienza a convertir un núcleo en un strangelet, los primeros quarks extraños forman bariones extraños, como el Lambda, que son pesados. Solo si ocurren muchas conversiones casi simultáneamente, el número de quarks extraños alcanzará la proporción crítica requerida para alcanzar un estado de energía más bajo. Esto es muy poco probable que suceda, por lo que incluso si la hipótesis de la materia extraña fuera correcta, nunca se vería que los núcleos se desintegren en strangelets porque su vida útil sería más larga que la edad del universo. ^[5]

Tamaño

La estabilidad de los strangelets depende de su tamaño, debido a

• tensión superficial en la interfase entre la materia de quarks y el vacío (que afecta a los strangelets pequeños más que a los grandes). La tensión superficial de la materia extraña es desconocida. Si es menor que un valor crítico (unos pocos MeV por femtómetro cuadrado ^[6] ), los strangelets grandes son inestables y tenderán a fisionarse en strangelets más pequeños (las estrellas extrañas seguirían estando estabilizadas por la gravedad). Si es mayor que el valor crítico, los strangelets se vuelven más estables a medida que se hacen más grandes.
• apantallamiento ^{[ aclaración necesaria ]} de cargas, que permite que los strangelets pequeños se carguen, con una nube neutralizadora de electrones/positrones a su alrededor, pero requiere que los strangelets grandes, como cualquier pieza grande 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 transportar carga. ^[7]

Ocurrencia natural o artificial

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

• Cosmogónicamente, es decir, en el universo primitivo, cuando se produjo la transición de fase de confinamiento por QCD , es posible que los strangelets se crearan 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 cuando éstas colisionen entre sí o con estrellas de neutrones puedan proporcionar suficiente energía para superar la barrera energética y crear strangelets a partir de materia nuclear. Algunos eventos de rayos cósmicos exóticos identificados, como el " evento de Price " —es decir, aquellos con relaciones carga-masa muy bajas (ya que el propio quark s posee una carga proporcional a la del más conocido quark d , pero es mucho más masivo)— podrían haber registrado ya strangelets. ^{[8] [9]}
• Impactos de rayos cósmicos. Además de las colisiones frontales de rayos cósmicos, los rayos cósmicos de energía ultraalta que impactan en la atmósfera de la Tierra pueden crear strangelets.

Estos escenarios ofrecen posibilidades para la observación de strangelets. Si los strangelets pueden producirse en colisiones de alta energía, entonces podrían ser producidos por colisionadores de iones pesados. De manera similar, si hay strangelets volando alrededor del universo, entonces ocasionalmente un strangelet debería impactar la Tierra, donde podría aparecer como un tipo exótico de rayo cósmico; alternativamente, un strangelet estable podría terminar incorporado a la masa de materia de la Tierra, adquiriendo una capa de electrones proporcional a su carga y, por lo tanto, apareciendo como un isótopo anómalamente pesado del elemento apropiado, aunque las búsquedas de tales "isótopos" anómalos, hasta ahora, no han tenido éxito. ^[10]

Producción de aceleradores

En los aceleradores de iones pesados ​​como el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC), los núcleos chocan a velocidades relativistas, creando quarks extraños y antiextraños que podrían conducir a la producción de strangelets. La firma experimental de un strangelet sería su muy alta relación de masa a 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, ^[11] pero no se encontró ninguno. Es aún menos probable que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) produzca strangelets, ^[12] pero se planean búsquedas ^[13] para el detector LHC ALICE .

Detección basada en el espacio

El Espectrómetro Magnético Alfa (AMS), un instrumento que está montado en la Estación Espacial Internacional , podría detectar strangelets. ^[14]

Posible detección sísmica

En mayo de 2002, un grupo de investigadores de la Southern Methodist University 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. ^[15] Los autores luego se retractaron de su afirmación, después de encontrar que el reloj de una de las estaciones sísmicas tuvo un gran error durante el período relevante. ^[16]

Se ha sugerido que el Sistema Internacional de Vigilancia (SMI) 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 de strangelets" que utilice toda la Tierra como detector. El SMI estará diseñado para detectar perturbaciones sísmicas anómalas de hasta 1 kilotón de TNT (4,2  TJ ) de liberación de energía o menos, y podría rastrear strangelets que pasen por la Tierra en tiempo real si se explota adecuadamente.

Impactos sobre 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 características. ^[17]

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 mencionado anteriormente, entonces un strangelet más grande sería más estable que uno más pequeño. Una especulación que ha surgido de la idea es que un strangelet que entre en contacto con un trozo de materia ordinaria podría, con el tiempo, convertir la materia ordinaria en materia extraña. ^{[18] [19]}

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 la mayoría de los modelos predicen que está cargado positivamente, por lo que son repelidos electrostáticamente por los núcleos y rara vez se fusionarían con ellos. ^{[20] [21]} Por otro lado, las colisiones de alta energía podrían producir estados strangelets cargados negativamente, que podrían vivir lo suficiente para interactuar con los núcleos de la materia ordinaria . ^[22]

El peligro de la conversión catalizada por strangelets producidos en colisionadores de iones pesados ​​ha recibido cierta atención de los medios de comunicación, ^{[23] [24]} y se plantearon preocupaciones de este tipo ^{[18] [25]} al comienzo del experimento RHIC en Brookhaven , que potencialmente podría haber creado strangelets. Un análisis detallado ^[19] 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 de este tipo si fuera posible. El RHIC ha estado funcionando desde el año 2000 sin incidentes. Se han planteado preocupaciones similares sobre el funcionamiento del LHC en el CERN ^[26] pero los científicos descartan tales temores como inverosímiles. ^{[26] [27] [28]}

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), unido por la gravedad , pero es eléctricamente neutro y no repelería electrostáticamente a los strangelets. Si un strangelet choca con 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 convirtiera en una estrella extraña . ^[29]

Debate sobre la hipótesis de la materia extraña

La hipótesis de la materia extraña sigue sin demostrarse. Ninguna búsqueda directa de strangelets en rayos cósmicos o aceleradores de partículas ha confirmado aún la existencia de un strangelet. Si se pudiera demostrar que alguno de los objetos, como las estrellas de neutrones, tiene una superficie formada por materia extraña, esto indicaría que la materia extraña es estable a presión cero , lo que justificaría la hipótesis de la materia extraña. Sin embargo, no hay pruebas sólidas de que existan 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 formadas por materia extraña, y de lo contrario ninguna debería estarlo. ^[30] 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 strangelet convertiría una estrella de neutrones en materia extraña, todas las estrellas de neutrones formadas más recientemente, excepto unas pocas, ya deberían haberse convertido en materia extraña.

Este argumento aún se debate, ^{[31] [32] [33] [34]} 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, hay un esfuerzo en curso para determinar si las superficies de las estrellas de neutrones están hechas de materia extraña o materia nuclear . La evidencia actual 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, ^[35] y de la medición de vibraciones sísmicas en magnetares . ^[36]

En la ficción

• Un episodio de Odyssey 5 presentó un intento de destruir el planeta mediante la creación intencional de strangelets cargados negativamente en un acelerador de partículas . ^[37]
• El docudrama de la BBC End Day presenta un escenario en el que un acelerador de partículas en la ciudad de Nueva York explota, creando un strangelet y comenzando una catastrófica reacción en cadena que destruye la Tierra.
• El cuento A Matter most Strange de la colección Indistinguishable from Magic de Robert L. Forward trata sobre la creación de un strangelet en un acelerador de partículas .
• Impact , publicada en 2010 y escrita por Douglas Preston , trata sobre una máquina alienígena que crea strangelets. Los strangelets de la máquina impactan la Tierra y la Luna y pasan a través de ella.
• La novela Phobos , publicada en 2011 y escrita por Steve Alten como la tercera y última parte de su trilogía Domain , presenta una historia ficticia donde los strangelets son creados involuntariamente en el LHC y escapan de él para destruir la Tierra.
• En la novela de comedia negra de 1992 Humans de Donald E. Westlake , 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 strangelet se acerca a la Tierra desde el espacio.
• En la novela El ladrón cuántico de Hannu Rajaniemi y el resto de la trilogía, los strangelets se utilizan principalmente como armas, pero durante un proyecto inicial para terraformar Marte, uno se utilizó para convertir Fobos en un "sol" adicional.

Véase también

• sustancia viscosa gris
• Hielo-nueve
• Hiperón

Lectura adicional

• Holden, Joshua (17 de mayo de 1998). "La historia de los Strangelets". Rutgers . Archivado desde el original el 7 de enero de 2010 . Consultado el 1 de abril de 2010 .
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Referencias

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Enlaces externos

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