Μια περίεργη νέα μορφή πυρηνικής ύλης μπορεί να βρίσκεται ακριβώς πέρα από την κατανόηση των πειραματιστών
Μέσα σε ένα αστέρι νετρονίων - τα υπολείμματα ενός εξερράγητος αστέρα μεσαίου βάρους - οι πιέσεις ανεβαίνουν ένα δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές υψηλότερες από ό,τι στον πυρήνα του ήλιου. Για δεκαετίες, ορισμένοι θεωρητικοί φυσικοί εικάζουν ότι κάτω από αυτές τις συνθήκες, μπορεί να εμφανιστεί ένας παράξενος τύπος ύλης:μια σούπα από τα υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Τώρα, μια νέα ανάλυση δείχνει ότι η συνταγή για αυτή τη σούπα, που ονομάζεται ψυχρή ύλη κουάρκ, χρειάζεται αναθεώρηση. Εάν είναι σωστό, υποδηλώνει ότι οι επιταχυντές σωματιδίων στη Γη μπορεί να είναι σε θέση να παράγουν σταθερά κομμάτια της ύλης κουάρκ. Επίσης, θα έβαζε το kibosh σε υποθετικά σωματίδια που ονομάζονται ξένοιαστα, τα οποία οι τρομοκράτες κάποτε υποστήριζαν ότι θα μπορούσαν να καταστρέψουν τον κόσμο.
"Είναι ένα εικαστικό επιχείρημα, αλλά δεν υπάρχει τίποτα προφανώς λάθος με αυτό", λέει ο Robert Pisarski, πυρηνικός θεωρητικός στο Brookhaven National Laboratory στο Upton της Νέας Υόρκης, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.
Οι ατομικοί πυρήνες αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία αποτελούνται από τρίες κουάρκ άνω και κάτω —δύο από τις έξι «γεύσεις» των σωματιδίων— που συνδέονται στενά από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Από τη δεκαετία του 1970, ορισμένοι θεωρητικοί έχουν προβλέψει ότι κάτω από ακραίες πιέσεις όπως αυτές στις καρδιές των άστρων νετρονίων, τα κουάρκ μπορεί να απελευθερωθούν από τις αλυσίδες ισχυρής δύναμης τους για να δημιουργήσουν μια σούπα ψυχρής ύλης κουάρκ. Προέβλεψαν επίσης ότι τα συστατικά της σούπας θα διέφεραν από εκείνα των πρωτονίων και των νετρονίων. Οι υπολογισμοί τους πρότειναν ότι για να ελαχιστοποιηθεί η ενέργειά της, η ύλη κουάρκ θα πρέπει να περιλαμβάνει μια τρίτη γεύση κουάρκ γνωστά ως παράξενα κουάρκ.
Παρόλο που τα περίεργα κουάρκ αναδύονται μόνο φευγαλέα, συνήθως σε συγκρούσεις σε επιταχυντές σωματιδίων, οι υπολογισμοί πρότειναν ότι τέτοια παράξενη ύλη κουάρκ μπορεί να έχει χαμηλότερη ενέργεια από τη συνηθισμένη πυρηνική ύλη. Αυτό σημαίνει ότι οι κηλίδες της παράξενης ύλης κουάρκ, ή των ξένων, θα μπορούσαν να είναι σταθερές και ότι, κατ' αρχήν, οι συνηθισμένοι πυρήνες θα μπορούσαν να μετατραπούν σε αυτές. Αυτός ο μετασχηματισμός θα απαιτούσε ταυτόχρονες μετατροπές άνω και κάτω κουάρκ σε παράξενα κουάρκ - κάτι που είναι απίθανο να συμβεί αυθόρμητα στην εποχή του σύμπαντος. Όμως, τα παράξενα που δημιουργούνται στις κοσμικές ακτίνες ή που παραμένουν από βίαια αστροφυσικά γεγονότα μπορεί να επιβιώσουν επ' αόριστον. Οι επιστήμονες τα έχουν ψάξει με πολλούς τρόπους, μέχρι στιγμής ανεπιτυχώς.
Τώρα, ο Bob Holdom, πυρηνικός θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο στον Καναδά, και οι συνάδελφοί του λένε ότι έχουν διώξει την περίεργη ύλη κουάρκ με καλύτερες εκτιμήσεις για το πώς, μέσω κβαντικών επιδράσεων, τα κουάρκ αλλάζουν την ενέργεια του ίδιου του κενού του διαστήματος, ένα βασικό συστατικό της συνολικής ενέργειας της ύλης κουάρκ. «Το μοντέλο μας μας επιτρέπει να δούμε πώς η ενέργεια του κενού εξαρτάται από τη γεύση του κουάρκ», λέει ο Holdom. Η ανάμειξη σε παράξενα κουάρκ επιφέρει μεγαλύτερη ενεργειακή ποινή από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως, τόσο υψηλή που η ψυχρή ύλη κουάρκ θα πρέπει να αποτελείται από κουάρκ ακριβώς πάνω και κάτω, αναφέρουν οι ερευνητές σε μια δημοσίευση που δημοσιεύεται στο Physical Review Letters .
Οι ατομικοί πυρήνες σαφώς δεν μετατρέπονται εύκολα σε ύλη κουάρκ προς τα πάνω. Η ομάδα υπολογίζει ότι για μάζες κάτω από περίπου 300 φορές αυτές του πρωτονίου, οι συνηθισμένοι πυρήνες είναι σταθεροί επειδή επιδράσεις παρόμοια με την επιφανειακή τάση αυξάνουν την ενέργεια της ύλης κουάρκ. Ωστόσο, εάν οι πειραματιστές που προσπαθούν να δημιουργήσουν νέα υπερβαριά στοιχεία μπορούσαν να ωθήσουν σε μάζα λίγο πιο πέρα από τον βαρύτερο πυρήνα που έχει εντοπιστεί μέχρι σήμερα -οganesson, με ατομική μάζα 294-, τότε θα μπορούσαν να κάνουν σταθερά "ψήγματα" ύλης κουάρκ προς τα πάνω, οι θεωρητικοί προβλέπουν.
Είναι αυτό το τέλος για την περίεργη ύλη κουάρκ; Μάλλον όχι, λέει ο Πισάρσκι. Η θεωρία των κουάρκ είναι τόσο μαθηματικά δυσεπίλυτη που, όπως όλοι οι άλλοι, ο Holdom έπρεπε να καταφύγει σε κατά προσέγγιση μοντέλα, λέει. Η Laura Paulucci, αστροφυσικός στο Ομοσπονδιακό Πανεπιστήμιο ABC στο Σάο Πάολο της Βραζιλίας, προσθέτει ότι η ανάλυση επίσης δεν αποκλείει εντελώς την περίεργη ύλη κουάρκ σε αστέρια νετρονίων, όπου η πυκνότητα θα πρέπει να είναι σημαντικά υψηλότερη από ό,τι υποθέτουν οι θεωρητικοί. "Δεν είμαι σίγουρη ότι η θεωρία που χρησιμοποιούν είναι επαρκής" για τις συνθήκες στα αστέρια νετρονίων, λέει.
Παρόλα αυτά, η μελέτη μπορεί να είναι καλά νέα για τους επιστήμονες που κυνηγούν σταθερή ύλη κουάρκ, λέει ο Evan Finch, ένας πειραματιστής στο Southern Connecticut State University στο New Haven, ο οποίος έχει αναζητήσει παράξενους, περνώντας τη σκόνη του φεγγαριού μέσω ενός φασματόμετρου μάζας και αναζητώντας σωματίδια με περιττό φορτίο. αναλογίες προς μάζα. "Υπάρχει μια πρόταση ότι ίσως ψάχναμε σε λάθος μέρος" για ύλη κουάρκ, λέει. "Είμαι λίγο δύσπιστος, αλλά είναι διασκεδαστικό."
Η νέα εικόνα της ψυχρής ύλης κουάρκ θα μπορούσε επίσης να διαλύσει μια τραβηγμένη απειλή για τον κόσμο. Οι αντίπαλοι του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων στην Ελβετία είχαν υποστηρίξει ότι ο θρυμματιστής ατόμου μπορεί να παράγει αρνητικά φορτισμένους παράξενους πυρήνες που θα καταβρόχθιζαν θετικά φορτισμένους ατομικούς πυρήνες σε μια απρόσμενη διαδικασία. Οι φυσικοί είχαν αντικρούσει ότι αν μια τέτοια καταστροφή ήταν δυνατή, τα παράξενα από το διάστημα θα είχαν καταναλώσει από καιρό τον πλανήτη. Η ύλη κουάρκ προς τα πάνω θα απέκλειε οριστικά το σενάριο της καταστροφής:Θα πρέπει να είναι θετικά φορτισμένη και να απωθεί τους ατομικούς πυρήνες.
Ωστόσο, ένα κομμάτι από τα πράγματα θα μπορούσε να είναι χρήσιμο, λέει ο Holdom. Βομβαρδίστε το με νετρόνια και θα τα μετατρέψει σε ύλη κουάρκ ενώ θα παράγει ενέργεια, προβλέπει.
