Странная материя (или странная кварковая материя ) — это кварковая материя , содержащая странные кварки . В экстремальных условиях странная материя, как предполагается, находится в ядре нейтронных звезд или, более спекулятивно, в виде изолированных капель, которые могут различаться по размеру от фемтометров ( странгелеты ) до километров, как в гипотетических странных звездах . При достаточно высокой плотности странная материя, как ожидается, будет обладать цветовой сверхпроводимостью . [ требуется ссылка ]
Обычная материя , также называемая атомной материей, состоит из атомов, причем почти вся материя сосредоточена в атомных ядрах. Ядерная материя — это жидкость, состоящая из нейтронов и протонов , а они сами состоят из верхних и нижних кварков . Кварковая материя — это конденсированная форма материи, состоящая полностью 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 различных контекстах: один более широкий, а другой более конкретный и гипотетический: [1] [2]
В общем контексте странная материя может возникать внутри нейтронных звезд, если давление в их ядре достаточно велико, чтобы обеспечить достаточную гравитационную силу (т.е. выше критического давления). При таких плотностях и высоких давлениях, которые мы ожидаем в центре нейтронной звезды, кварковая материя, вероятно, будет странной материей. Это могла бы быть, предположительно, нестранная кварковая материя, если бы эффективная масса странного кварка была слишком велика. Очарованные кварки и более тяжелые кварки могли бы возникнуть только при гораздо более высоких плотностях.
Странная материя возникает как способ снять давление вырождения . Принцип исключения Паули запрещает фермионам, таким как кварки, занимать одно и то же положение и уровень энергии. Когда плотность частиц достаточно высока, так что все уровни энергии ниже доступной тепловой энергии уже заняты, дальнейшее увеличение плотности требует подъема некоторых из них на более высокие, незанятые уровни энергии. Эта потребность в энергии для сжатия проявляется как давление. Нейтроны состоят из вдвое большего числа нижних кварков (заряд − 1/3 e ) как верхние кварки (заряд + 2/3 e ), поэтому давление вырождения нижних кварков обычно доминирует над электрически нейтральной кварковой материей. Однако, когда требуемый уровень энергии достаточно высок, становится доступной альтернатива: половина нижних кварков может быть преобразована в странные кварки (заряд − 1/3 e ). Более высокая масса покоя странного кварка требует некоторой энергии, но, открывая дополнительный набор энергетических уровней, средняя энергия на частицу может быть ниже, [1] : 5 делая странную материю более стабильной, чем нестранная кварковая материя.
Нейтронную звезду с ядром из кварковой материи часто [1] [2] называют гибридной звездой. Однако трудно узнать, существуют ли гибридные звезды на самом деле в природе, поскольку физики в настоящее время имеют мало представления о вероятном значении критического давления или плотности. Кажется правдоподобным, что переход к кварковой материи уже произойдет, когда разделение между нуклонами станет намного меньше их размера, поэтому критическая плотность должна быть меньше, чем примерно в 100 раз ядерной насыщенной плотности. Но более точной оценки пока нет, поскольку сильное взаимодействие , которое управляет поведением кварков, математически неразрешимо, а численные расчеты с использованием решеточной КХД в настоящее время блокируются проблемой знака фермиона .
Одним из основных направлений деятельности в области физики нейтронных звезд является попытка найти наблюдаемые признаки, по которым мы могли бы определить, содержат ли нейтронные звезды кварковую материю (вероятно, странную материю) в своем ядре.
Во время слияния двух нейтронных звезд странная материя может выбрасываться в пространство вокруг звезд, что может позволить изучать странную материю. Однако скорость распада странной материи неизвестна, и вблизи Солнечной системы находится очень мало двойных пар нейтронных звезд, что может сильно затруднить официальное открытие странной материи.
Если " гипотеза странной материи " верна, то ядерная материя метастабильна по отношению к распаду на странную материю. Время жизни для спонтанного распада очень велико, поэтому мы не видим, как этот процесс распада происходит вокруг нас. [4] Однако, согласно этой гипотезе, во вселенной должна быть странная материя: