Странная материя (или странная кварковая материя ) — это кварковая материя, содержащая странные кварки . Предполагается, что в экстремальных условиях странная материя возникает в ядре нейтронных звезд или, более умозрительно, в виде изолированных капель, размер которых может варьироваться от фемтометров ( странглетов ) до километров, как в гипотетических странных звездах . Ожидается, что при достаточно высокой плотности странная материя станет цветной сверхпроводимостью . [ нужна цитата ]
Обычная материя , также называемая атомной материей, состоит из атомов, причем почти вся материя сосредоточена в атомных ядрах. Ядерная материя представляет собой жидкость, состоящую из нейтронов и протонов , а они сами состоят из верхних и нижних кварков . Кварковая материя — это конденсированная форма материи, полностью состоящая из кварков . Когда кварковая материя не содержит странных кварков, ее иногда называют нестранной кварковой материей.
В физике элементарных частиц и астрофизике термин «странная материя» используется в двух разных контекстах: один более широкий, а другой более конкретный и гипотетический: [1] [2]
В общем контексте странная материя могла бы возникнуть внутри нейтронных звезд, если давление в их ядре достаточно велико, чтобы обеспечить достаточную гравитационную силу (т. е. выше критического давления). При той плотности и высоком давлении, которые мы ожидаем в центре нейтронной звезды, кварковая материя, вероятно, будет странной материей. Это могла бы быть нестранная кварковая материя, если бы эффективная масса странного кварка была слишком велика. Очаровательные и более тяжелые кварки могли бы возникнуть только при гораздо более высоких плотностях.
Странная материя возникает как способ ослабить давление вырождения . Принцип исключения Паули запрещает фермионам, таким как кварки, занимать одно и то же положение и энергетический уровень. Когда плотность частиц достаточно высока, и все энергетические уровни ниже доступной тепловой энергии уже заняты, дальнейшее увеличение плотности требует поднятия некоторых из них на более высокие, незанятые энергетические уровни. Эта потребность в энергии, чтобы вызвать сжатие, проявляется как давление. Нейтроны состоят из вдвое большего числа даун-кварков (заряд —1/3 д ) как ап-кварки (заряд +2/3 д ), поэтому давление вырождения даун-кварков обычно доминирует над электрически нейтральной кварковой материей. Однако, когда требуемый уровень энергии достаточно высок, становится доступной альтернатива: половина даун-кварков может быть преобразована в странные кварки (заряд —1/3 е ). Более высокая масса покоя странного кварка требует некоторой энергии, но за счет открытия дополнительного набора энергетических уровней средняя энергия на частицу может быть ниже, [1] : 5 , что делает странную материю более стабильной, чем нестранная кварковая материя.
Нейтронную звезду с ядром из кварковой материи часто [1] [2] называют гибридной звездой. Однако трудно узнать, действительно ли гибридные звезды существуют в природе, поскольку физики в настоящее время плохо представляют себе вероятное значение критического давления или плотности. Кажется правдоподобным, что переход к кварковой материи уже произойдет, когда расстояние между нуклонами станет намного меньше их размера, поэтому критическая плотность должна быть меньше примерно в 100 раз плотности ядерного насыщения. Но более точная оценка пока недоступна, поскольку сильное взаимодействие , определяющее поведение кварков, математически неразрешимо, а численные расчеты с использованием решеточной КХД в настоящее время заблокированы проблемой знака фермионов .
Одним из основных направлений деятельности физики нейтронных звезд является попытка найти наблюдаемые признаки, по которым мы могли бы определить, есть ли в ядре нейтронных звезд кварковая материя (вероятно, странная материя).
При слиянии двух нейтронных звезд странная материя может быть выброшена в пространство вокруг звезд, что может позволить изучить странную материю. Однако скорость распада странной материи неизвестна, а поблизости от Солнечной системы очень мало двойных пар нейтронных звезд, что может очень затруднить официальное открытие странной материи.
Если « гипотеза странной материи » верна, то ядерная материя метастабильна и не распадается на странную материю. Время жизни самопроизвольного распада очень велико, поэтому мы не видим, чтобы этот процесс распада происходил вокруг нас. [4] Однако согласно этой гипотезе во Вселенной должна быть странная материя: