La materia extraña (o materia de quarks extraños ) es materia de quarks que contiene quarks extraños . En entornos extremos, se plantea la hipótesis de que la materia extraña se encuentra en el núcleo de las estrellas de neutrones o, de forma más especulativa, en forma de gotitas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros ( strangelets ) hasta kilómetros, como en las hipotéticas estrellas extrañas . A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora de color . [ cita requerida ]
La materia ordinaria , también denominada materia atómica, está compuesta de átomos, y casi toda la materia se concentra en los núcleos atómicos. La materia nuclear es un líquido compuesto de neutrones y protones , que a su vez están compuestos de quarks up y down . La materia de quarks es una forma condensada de materia compuesta enteramente de quarks . Cuando la materia de quarks no contiene quarks extraños, a veces se la denomina materia de quarks no extraños.
En física de partículas y astrofísica , el término «materia extraña» se utiliza en dos contextos diferentes, uno más amplio y otro más específico e hipotético: [1] [2]
En el contexto general, la materia extraña podría existir dentro de las estrellas de neutrones, si la presión en su núcleo es lo suficientemente alta como para proporcionar una fuerza gravitacional suficiente (es decir, por encima de la presión crítica). En el tipo de densidades y altas presiones que esperamos en el centro de una estrella de neutrones, la materia de quarks probablemente sería materia extraña. Podría concebirse que no fuera materia de quarks extraños, si la masa efectiva del quark extraño fuera demasiado alta. Los quarks charm y los quarks más pesados solo se darían en densidades mucho más altas.
La materia extraña surge como una forma de aliviar la presión de degeneración . El principio de exclusión de Pauli prohíbe que los fermiones, como los quarks, ocupen la misma posición y nivel de energía. Cuando la densidad de partículas es lo suficientemente alta como para que todos los niveles de energía por debajo de la energía térmica disponible ya estén ocupados, aumentar aún más la densidad requiere elevar algunos a niveles de energía más altos y desocupados. Esta necesidad de energía para causar compresión se manifiesta como una presión. Los neutrones constan del doble de quarks down (carga − 1/3 e ) como quarks up (carga + 2/3 e ), por lo que la presión de degeneración de los quarks down suele dominar la materia de quarks eléctricamente neutros. Sin embargo, cuando el nivel de energía requerido es lo suficientemente alto, se presenta una alternativa: la mitad de los quarks down se pueden transmutar en quarks extraños (carga − 1/3 e ). La mayor masa en reposo del quark extraño cuesta algo de energía, pero al abrir un conjunto adicional de niveles de energía, la energía promedio por partícula puede ser menor, [1] : 5 haciendo que la materia extraña sea más estable que la materia que no es un quark extraño.
A una estrella de neutrones con un núcleo de materia de quarks se la suele llamar [1] [2] estrella híbrida. Sin embargo, es difícil saber si las estrellas híbridas realmente existen en la naturaleza porque los físicos actualmente tienen poca idea del valor probable de la presión o densidad crítica. Parece plausible que la transición a materia de quarks ya se haya producido cuando la separación entre los nucleones se vuelva mucho menor que su tamaño, por lo que la densidad crítica debe ser menor que aproximadamente 100 veces la densidad de saturación nuclear. Pero aún no se dispone de una estimación más precisa, porque la interacción fuerte que gobierna el comportamiento de los quarks es matemáticamente intratable, y los cálculos numéricos utilizando QCD en red están bloqueados actualmente por el problema del signo del fermión .
Un área importante de actividad en la física de las estrellas de neutrones es el intento de encontrar firmas observables mediante las cuales podamos determinar si las estrellas de neutrones tienen materia de quarks (probablemente materia extraña) en su núcleo.
Durante la fusión de dos estrellas de neutrones, puede que se expulse materia extraña al espacio que rodea a las estrellas, lo que podría permitir el estudio de la materia extraña. Sin embargo, se desconoce la velocidad a la que se desintegra la materia extraña y hay muy pocos pares binarios de estrellas de neutrones cerca del Sistema Solar, lo que podría dificultar mucho el descubrimiento oficial de la materia extraña.
Si la " hipótesis de la materia extraña " es cierta, entonces la materia nuclear es metaestable y no se desintegra en materia extraña. El tiempo de vida para la desintegración espontánea es muy largo, por lo que no vemos que este proceso de desintegración ocurra a nuestro alrededor. [4] Sin embargo, según esta hipótesis debería haber materia extraña en el universo: