stringtranslate.com

Странно

Странгелет (произносится как / ˈ s t r eɪ n dʒ . l ɪ t / ) — гипотетическая частица, состоящая из связанного состояния примерно равного количества верхних , нижних и странных кварков . Эквивалентное описание — Странгелет — это небольшой фрагмент странной материи , достаточно малый, чтобы считаться частицей . Размер объекта, состоящего из странной материи, теоретически может варьироваться от нескольких фемтометров в поперечнике (с массой легкого ядра) до произвольно большого. Как только размер становится макроскопическим (порядка метров в поперечнике), такой объект обычно называют странной звездой . Термин «странгелет» впервые был предложен Эдвардом Фархи и Робертом Джаффе в 1984 году. Было высказано предположение, что странгелеты могут преобразовывать материю в странную материю при контакте. [1] Странгелеты также были предложены в качестве кандидата на темную материю . [2]

Теоретическая возможность

Гипотеза странной материи

Известные частицы со странными кварками нестабильны. Поскольку странный кварк тяжелее верхних и нижних кварков, он может спонтанно распадаться посредством слабого взаимодействия на верхний кварк. Следовательно, частицы, содержащие странные кварки, такие как лямбда-частица , всегда теряют свою странность , распадаясь на более легкие частицы, содержащие только верхние и нижние кварки.

Однако конденсированные состояния с большим числом кварков могут не страдать от этой нестабильности. Эта возможная устойчивость к распаду — « гипотеза странной материи », предложенная отдельно Арнольдом Бодмером [3] и Эдвардом Виттеном . [4] Согласно этой гипотезе, когда достаточно большое число кварков концентрируется вместе, самым низким энергетическим состоянием является то, которое имеет примерно равное число верхних, нижних и странных кварков, а именно страпелька. Эта стабильность возникает из-за принципа исключения Паули ; наличие трех типов кварков, а не двух, как в обычной ядерной материи, позволяет разместить больше кварков на более низких энергетических уровнях.

Связь с ядрами

Ядро представляет собой набор из некоторого количества верхних и нижних кварков (в некоторых ядрах довольно большое количество), заключенных в триплеты ( нейтроны и протоны ). Согласно гипотезе странной материи, странгелеты более стабильны, чем ядра, поэтому ожидается, что ядра распадутся на странгелеты. Но этот процесс может быть чрезвычайно медленным, поскольку необходимо преодолеть большой энергетический барьер: когда слабое взаимодействие начинает превращать ядро ​​в странгелет, первые несколько странных кварков образуют странные барионы, такие как лямбда, которые являются тяжелыми. Только если многие преобразования происходят почти одновременно, количество странных кварков достигнет критической пропорции, необходимой для достижения более низкого энергетического состояния. Это очень маловероятно, поэтому даже если гипотеза странной материи была бы верна, ядра никогда не распались бы на странгелеты, поскольку их время жизни было бы больше, чем возраст Вселенной. [5]

Размер

Стабильность страпель зависит от их размера, поскольку

Естественное или искусственное возникновение

Хотя ядра не распадаются на страпельки, существуют и другие способы создания страпельки, поэтому, если гипотеза странной материи верна, во Вселенной должны быть страпельки. Существует по крайней мере три способа их создания в природе:

Эти сценарии предлагают возможности для наблюдения страпель. Если страпель могут быть получены в столкновениях высоких энергий, то они могут быть получены коллайдерами тяжелых ионов. Аналогично, если есть страпель летающие по Вселенной, то время от времени страпель должен попадать на Землю, где он может проявиться как экзотический тип космических лучей; в качестве альтернативы, стабильный страпель может оказаться включенным в основную массу земной материи, приобретя электронную оболочку, пропорциональную его заряду, и, следовательно, проявиться как аномально тяжелый изотоп соответствующего элемента — хотя поиски таких аномальных «изотопов» до сих пор не увенчались успехом. [10]

Производство ускорителей

На ускорителях тяжелых ионов, таких как релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), ядра сталкиваются на релятивистских скоростях, создавая странные и антистранные кварки, которые, предположительно, могут привести к образованию страпельки. Экспериментальной сигнатурой страпельки будет ее очень высокое отношение массы к заряду, что приведет к тому, что ее траектория в магнитном поле будет очень близкой, но не совсем прямой. Коллаборация STAR искала страпельки, произведенные на RHIC, [11], но ничего не было найдено. Большой адронный коллайдер (LHC) еще менее вероятно произведет страпельки, [12], но поиски запланированы [13] для детектора LHC ALICE .

Космическое обнаружение

Альфа -магнитный спектрометр (AMS), прибор, установленный на Международной космической станции , может обнаружить страпельки. [14]

Возможное сейсмическое обнаружение

В мае 2002 года группа исследователей из Южного методистского университета сообщила о возможности того, что страпельки могли быть ответственны за сейсмические события, зарегистрированные 22 октября и 24 ноября 1993 года. [15] Позднее авторы отказались от своего заявления, обнаружив, что часы одной из сейсмических станций имели большую погрешность в соответствующий период. [16]

Было высказано предположение, что Международная система мониторинга будет создана для проверки Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) после его вступления в силу, что может быть полезной в качестве своего рода «обсерватории странглетов», использующей всю Землю в качестве детектора. МСМ будет разработана для обнаружения аномальных сейсмических возмущений с выбросом энергии до 1 килотонны тротила (4,2  ТДж ) или меньше, и сможет отслеживать прохождение странглетов через Землю в режиме реального времени при правильном использовании.

Воздействия на тела Солнечной системы

Было высказано предположение, что странные частицы субпланетной (т.е. тяжелые метеориты) массы могут прокалывать планеты и другие объекты Солнечной системы, что приведет к образованию ударных кратеров с характерными особенностями. [17]

Потенциальное распространение

Если гипотеза странной материи верна, и если существует устойчивый отрицательно заряженный страпель с поверхностным натяжением, большим, чем вышеупомянутое критическое значение, то более крупный страпель будет более устойчивым, чем меньший. Одно предположение, которое возникло из этой идеи, заключается в том, что страпель, вступающий в контакт с куском обычной материи, может со временем преобразовать обычную материю в странную материю. [18] [19]

Это не является проблемой для страпель в космических лучах , поскольку они рождаются вдали от Земли и имеют время, чтобы распасться до своего основного состояния , которое, как предсказывает большинство моделей, должно быть положительно заряженным, поэтому они электростатически отталкиваются ядрами и редко сливаются с ними. [20] [21] С другой стороны, столкновения с высокой энергией могут создавать отрицательно заряженные состояния страпель, которые могут существовать достаточно долго, чтобы взаимодействовать с ядрами обычной материи . [22]

Опасность катализируемой конверсии страпельками, полученными в коллайдерах тяжелых ионов , привлекла некоторое внимание СМИ [23] [24] , и опасения такого типа были высказаны [18] [25] в начале эксперимента RHIC в Брукхейвене , который потенциально мог создать страпельки. Подробный анализ [19] пришел к выводу, что столкновения RHIC были сопоставимы с теми, которые естественным образом происходят, когда космические лучи пересекают Солнечную систему , поэтому мы бы уже увидели такую ​​катастрофу, если бы она была возможна. RHIC работает с 2000 года без происшествий. Аналогичные опасения высказывались относительно работы LHC в ЦЕРНе [ 26], но такие опасения были отвергнуты учеными как надуманные. [26] [27] [28]

В случае нейтронной звезды сценарий преобразования может быть более правдоподобным. Нейтронная звезда в некотором смысле является гигантским ядром (20 км в поперечнике), удерживаемым вместе гравитацией , но она электрически нейтральна и не будет электростатически отталкивать страпельки. Если страпелька ударит нейтронную звезду, она может катализировать кварки вблизи ее поверхности, чтобы сформировать более странную материю, потенциально продолжая до тех пор, пока вся звезда не станет странной звездой . [29]

Дебаты о гипотезе странной материи

Гипотеза странной материи остается недоказанной. Ни один прямой поиск странглетов в космических лучах или ускорителях частиц еще не подтвердил существование странглетов. Если бы можно было показать, что какой-либо из объектов, таких как нейтронные звезды, имеет поверхность, состоящую из странной материи, это означало бы, что странная материя стабильна при нулевом давлении , что подтвердило бы гипотезу странной материи. Однако нет никаких убедительных доказательств наличия поверхностей странной материи на нейтронных звездах.

Другим аргументом против гипотезы является то, что если бы это было правдой, то по сути все нейтронные звезды должны были бы состоять из странной материи, а в противном случае ни одна не должна была бы состоять из нее. [30] Даже если бы изначально было всего несколько странных звезд, такие бурные события, как столкновения, вскоре создали бы множество фрагментов странной материи, летающих по всей Вселенной. Поскольку столкновение с одним страпелькой превратило бы нейтронную звезду в странную материю, все, за исключением нескольких недавно образовавшихся нейтронных звезд, к настоящему времени уже должны были бы превратиться в странную материю.

Этот аргумент до сих пор обсуждается, [31] [32] [33] [34], но если он верен, то демонстрация того, что одна старая нейтронная звезда имеет обычную корку из ядерного вещества, опровергла бы гипотезу странной материи.

Из-за важности для гипотезы странной материи, продолжаются попытки определить, состоят ли поверхности нейтронных звезд из странной материи или ядерной материи . В настоящее время доказательства говорят в пользу ядерной материи. Это исходит из феноменологии рентгеновских всплесков , которая хорошо объясняется в терминах коры ядерной материи, [35] и из измерений сейсмических колебаний в магнетарах . [36]

В художественной литературе

Смотрите также

Дальнейшее чтение

Ссылки

  1. ^ Фархи, Эдвард; Джаффе, Р. Л. (1984). «Странная материя». Physical Review D. 30 ( 11): 2379–2390. Bibcode : 1984PhRvD..30.2379F. doi : 10.1103/PhysRevD.30.2379.
  2. ^ Виттен, Эдвард (1984). «Космическое разделение фаз». Physical Review D. 30 ( 2): 272–285. Bibcode : 1984PhRvD..30..272W. doi : 10.1103/PhysRevD.30.272.
  3. ^ Бодмер, AR (15 сентября 1971 г.). «Коллапсированные ядра». Physical Review D. 4 ( 6): 1601–1606. Bibcode : 1971PhRvD...4.1601B. doi : 10.1103/PhysRevD.4.1601.
  4. ↑ Виттен, Эдвард (15 июля 1984 г.). «Космическое разделение фаз». Physical Review D. 30 ( 2): 272–285. Bibcode : 1984PhRvD..30..272W. doi : 10.1103/PhysRevD.30.272.
  5. ^ Норбек, Э.; Онель, И. (2011). «Сага о странге». Журнал физики: Серия конференций . 316 (1): 012034–2. Bibcode : 2011JPhCS.316a2034N. doi : 10.1088/1742-6596/316/1/012034 .
  6. ^ Alford, Mark G.; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrew W. (2006). "Stability of strange star crusts and strangelets". Physical Review D. 73 ( 11): 114016. arXiv : hep-ph/0604134 . Bibcode : 2006PhRvD..73k4016A. doi : 10.1103/PhysRevD.73.114016. S2CID  35951483.
  7. ^ Гейзельберг, Х. (1993). «Экранирование в кварковых каплях». Physical Review D. 48 ( 3): 1418–1423. Bibcode : 1993PhRvD..48.1418H. doi : 10.1103/PhysRevD.48.1418. PMID  10016374.
  8. ^ Баннерджи, Шибаджи; Гош, Санджай К.; Раха, Сибаджи; Сайам, Дебаприо (2000). «Могут ли космические странные частицы достичь Земли?». Physical Review Letters . 85 (7): 1384–1387. arXiv : hep-ph/0006286 . Bibcode : 2000PhRvL..85.1384B. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.1384. PMID  10970510. S2CID  27542402.
  9. ^ Рыбчинский, М.; Влодарчик, З.; Вилк, Г. (2002). «Могут ли космические лучи быть признаком странглетов?». Acta Physica Polonia B. 33 ( 1): 277–296. arXiv : hep-ph/0109225 . Bibcode : 2002AcPPB..33..277R.
  10. ^ Lu, Z.-T.; Holt, RJ; Mueller, P.; O'Connor, TP; Schiffer, JP; Wang, L.-B. (май 2005 г.). «Поиски стабильных странгелетов в обычной материи: обзор и недавний пример». Nuclear Physics A . 754 : 361–368. arXiv : nucl-ex/0402015 . Bibcode :2005NuPhA.754..361L. doi :10.1016/j.nuclphysa.2005.01.038.
  11. ^ Абелев, Б.И.; Аггарвал, ММ; Ахаммед З.; Андерсон, Б.Д.; Архипкин Д.; Аверичев Г.С.; Бай, Ю.; Балевски Дж.; Баранникова О.; Барнби, Лос-Анджелес; Бодо, Ж.; Баумгарт, С.; Белага, В.В.; Беллинджери-Лаурикайнен, А.; Белвид, Р.; Бенедоссо, Ф.; Беттс, РР; Бхардвадж, С.; Бхасин, А.; Бхати, АК; Бичсел, Х.; Бельчик, Дж.; Бельчикова Ю.; Бланд, ЖК; Блит, С.-Л.; Бомбара, М.; Боннер, Бельгия; Ботье, М.; Буше, Дж.; и др. (2007). "Поиск Стрейнджлета в столкновениях Au+Au при s NN =200 ГэВ". Physical Review C. 76 ( 1): 011901. arXiv : nucl-ex/0511047 . Bibcode : 2007PhRvC..76a1901A. doi : 10.1103/PhysRevC.76.011901. S2CID  119498771.
  12. ^ Эллис, Джон; Джудиче, Джан; Мангано, Микеланджело; Ткачев, Игорь; Видеманн, Урс; Группа оценки безопасности LHC (2008). "Обзор безопасности столкновений LHC". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . 35 (11). 115004 (18 стр.). arXiv : 0806.3414 . Bibcode :2008JPhG...35k5004E. doi :10.1088/0954-3899/35/11/115004. S2CID  53370175.Запись ЦЕРНа. Архивировано 28 сентября 2018 г. на Wayback Machine .
  13. ^ Садовский, С.А.; Харлов, Ю. В.; Анжелис, БАС; Гладыш-Дзядуш, Э.; Коротких В.Л.; Мавроманолакис, Г.; Панайоту, AD (2004). «Модель для описания образования событий Центавра и странгелетов в столкновениях тяжелых ионов». Физика атомных ядер . 67 (2): 396–405. arXiv : nucl-th/0301003 . Бибкод : 2004PAN....67..396S. дои : 10.1134/1.1648929. S2CID  117706766.
  14. ^ Sandweiss, J. (2004). «Обзор поиска страпель и альфа-магнитного спектрометра: когда мы прекратим поиск?». Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . 30 (1): S51–S59. Bibcode : 2004JPhG...30S..51S. doi : 10.1088/0954-3899/30/1/004.
  15. ^ Андерсон, Д. П.; Раджагопал, Кришна; Редди, Санджай; Штайнер, Эндрю (2003). «Необъяснимые наборы отчетов сейсмографических станций и набор, согласующийся с проходом кваркового самородка». Бюллетень сейсмологического общества Америки . 93 (6): 2363–2374. arXiv : astro-ph/0205089 . Bibcode : 2003BuSSA..93.2363A. doi : 10.1785/0120020138. S2CID  43388747.
  16. ^ Herrin, Eugene T.; Rosenbaum, Doris C.; Teplitz, Vigdor L.; Steiner, Andrew (2006). "Seismic search for strange quark nuggets". Physical Review D. 73 ( 4): 043511. arXiv : astro-ph/0505584 . Bibcode : 2006PhRvD..73d3511H. doi : 10.1103/PhysRevD.73.043511. S2CID  119368573.
  17. ^ Рафельски, Иоганн; Лабун, Лэнс; Биррелл, Джеремия; Штайнер, Эндрю (2013). "Компактные ударники сверхплотной материи". Physical Review Letters . 110 (11): 111102. arXiv : 1104.4572 . Bibcode : 2011arXiv1104.4572R. doi : 10.1103/PhysRevLett.110.111102. PMID  25166521. S2CID  28532909. Архивировано из оригинала 22.03.2022 . Получено 13.11.2011 .
  18. ^ ab Dar, A.; De Rujula, A.; Heinz, Ulrich; Steiner, Andrew (1999). «Уничтожат ли релятивистские коллайдеры тяжелых ионов нашу планету?». Physics Letters B. 470 ( 1–4): 142–148. arXiv : hep-ph/9910471 . Bibcode : 1999PhLB..470..142D. doi : 10.1016/S0370-2693(99)01307-6. S2CID  17837332.
  19. ^ ab Jaffe, RL; Busza, W.; Wilczek, F.; Sandweiss, J. (2000). «Обзор спекулятивных сценариев катастроф на RHIC». Reviews of Modern Physics . 72 (4): 1125–1140. arXiv : hep-ph/9910333 . Bibcode :2000RvMP...72.1125J. doi :10.1103/RevModPhys.72.1125. S2CID  444580.
  20. ^ Madsen, Jes; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrew (2000). «Strangelets с промежуточной массой положительно заряжены». Physical Review Letters . 85 (22): 4687–4690. arXiv : hep-ph/0008217 . Bibcode : 2000PhRvL..85.4687M. doi : 10.1103/PhysRevLett.85.4687. PMID  11082627. S2CID  44845761.
  21. ^ Мэдсен, Джес; Раджагопал, Кришна; Редди, Санджай; Штайнер, Эндрю (2006). «Странгелеты в космических лучах». arXiv : astro-ph/0612784 .
  22. ^ Шаффнер-Билич, Юрген; Грейнер, Карстен; Динер, Александр; Штекер, Хорст (1997). «Обнаруживаемость странной материи в экспериментах с тяжелыми ионами». Физический обзор C . 55 (6): 3038–3046. arXiv : nucl-th/9611052 . Бибкод : 1997PhRvC..55.3038S. doi : 10.1103/PhysRevC.55.3038. S2CID  12781374.
  23. ↑ Роберт Мэтьюз (28 августа 1999 г.). «Черная дыра съела мою планету». New Scientist . Архивировано из оригинала 22 марта 2019 г. Получено 25 апреля 2019 г.
  24. ↑ Horizon: End Days , эпизод телесериала BBC Horizon .
  25. ^ Вагнер, Уолтер Л. (1999). «Черные дыры в Брукхейвене?». Scientific American . 281 (1): 8. JSTOR  26058304.
  26. ^ ab Dennis Overbye (29 марта 2008 г.). «Просить судью спасти мир и, возможно, многое другое». New York Times . Архивировано из оригинала 28 декабря 2017 г. Получено 23 февраля 2017 г.
  27. ^ "Безопасность на LHC". Архивировано из оригинала 2008-05-13 . Получено 2008-06-11 .
  28. ^ J. Blaizot et al. , «Исследование потенциально опасных событий во время столкновений тяжелых ионов на LHC», запись библиотеки CERN. Архивировано 2019-04-02 на сервере желтых отчетов CERN Wayback Machine (PDF)
  29. ^ Alcock, Charles; Farhi, Edward & Olinto, Angela (1986). "Странные звезды". Astrophysical Journal . 310 : 261. Bibcode : 1986ApJ...310..261A. doi : 10.1086/164679.
  30. ^ Колдуэлл, Р. Р.; Фридман, Джон Л. (1991). «Доказательства против странного основного состояния барионов». Physics Letters B. 264 ( 1–2): 143–148. Bibcode : 1991PhLB..264..143C. doi : 10.1016/0370-2693(91)90718-6.
  31. ^ Alford, Mark G.; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrew (2003). "Strangelets as Cosmic Rays beyond the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Cutoff". Physical Review Letters . 90 (12): 121102. arXiv : astro-ph/0211597 . Bibcode : 2003PhRvL..90l1102M. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.121102. PMID  12688863. S2CID  118913495.
  32. ^ Балберг, Шмуэль; Раджагопал, Кришна; Редди, Санджай; Штайнер, Эндрю (2004). "Комментарий о Странджлетах как космических лучах за пределами порога Грейзена-Зацепина-Кузьмина ". Physical Review Letters . 92 (11): 119001. arXiv : astro-ph/0403503 . Bibcode : 2004PhRvL..92k9001B. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.119001. PMID  15089181. S2CID  35971928.
  33. ^ Madsen, Jes; Rajagopal, Krishna; Reddy, Sanjay; Steiner, Andrew (2004). «Madsen Replies». Physical Review Letters . 92 (11): 119002. arXiv : astro-ph/0403515 . Bibcode : 2004PhRvL..92k9002M. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.119002. S2CID  26518446.
  34. ^ Madsen, Jes (2005). "Распространение странгелетов и поток космических лучей". Physical Review D. 71 ( 1): 014026. arXiv : astro-ph/0411538 . Bibcode : 2005PhRvD..71a4026M. doi : 10.1103/PhysRevD.71.014026. S2CID  119485839.
  35. ^ Хегер, Александр; Камминг, Эндрю; Гэллоуэй, Дункан К.; Вусли, Стэнфорд Э. (2007). «Модели рентгеновских всплесков I типа от GS 1826-24: исследование горения водорода в rp-процессе». The Astrophysical Journal . 671 (2): L141. arXiv : 0711.1195 . Bibcode :2007ApJ...671L.141H. doi :10.1086/525522. S2CID  14986572.
  36. ^ Уоттс, Анна Л.; Редди, Санджай (2007). «Осцилляции магнетара создают проблемы для странных звезд». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 379 (1): L63. arXiv : astro-ph/0609364 . Bibcode : 2007MNRAS.379L..63W. doi : 10.1111/j.1745-3933.2007.00336.x . S2CID  14055493.
  37. ↑ Одиссея 5 : Неприятности с Гарри. Архивировано 30 сентября 2019 г. на Wayback Machine , эпизод канадского научно-фантастического телесериала Одиссея 5 Мэнни Кото (2002).

Внешние ссылки