Странна (кваркова) материя: дефиниция, свойства и роля в неутронните звезди
Разкрийте странната (кваркова) материя — течност от възходящи, низходящи и странни кварки, ролята ѝ в ядрата на неутронни звезди и въздействието върху структурата им.
Странната (кваркова) материя е форма на кваркова материя — агрегатно състояние, при което носителите на барионен заряд не са нуклоните (протони и неутрони), а свободни кварки. В своя прост вид странната материя се състои от три вида кварки: възходящи (u), низходящи (d) и странни (s). Тя се различава от нестранната кваркова материя, която съдържа само u и d кварки, точно по наличието на s-кварки, които при подходящи условия намаляват общата енергия на системата.
Кога и къде може да съществува
Странната материя е възможна само при много високи плътности и често — при относително ниски температури в сравнение с енергийните мащаби на кварките. Най-вероятните места за нейното съществуване са вътрешните части на компактни обекти като неутронните звезди, където плътностите превишават плътността на атомните ядра. При още по-екстремни условия (много по-високи плътности) е теоретично възможно да се образува и т.нар. чаровна материя, съставена от чаровни кварки, но за това са необходими още по-големи налягания и енергии.
Стабилност и хипотези
Има хипотеза (понякога наричана хипотезата на Witten), според която странната материя може да бъде термодинамично по-стабилна от обичайната ядрена материя при нулева температура — тоест да бъде глобалното енергийно минимум за барионен материал. Ако това е вярно, малки късове странна материя (наричани странни лети или strangelets) биха били стабилни или метастабилни и биха могли да съществуват извън звездна среда. Досега обаче такива частици не са открити експериментално.
Физични свойства и фази
- Де-конфайнмент: при достатъчно голяма плътност кварките вече не са свързани в хадрони и се образува свързаното кварково състояние.
- Еквилибрум по химични потенциали: наличието на s-кварки помага да се постигне електрична неутралност и да се понижи енергията на системата.
- Цветна свръхпроводимост: при много ниски температури кварковата материя може да образува кооперативни двойки (аналогично на електронната супроводимост), например CFL (color–flavor locked) фаза, която променя термалните и транспортни свойства.
- Уравнение на състоянието (EOS): свойствата на странната материя (мек/твърд EOS) директно влияят на масите и радиусите на компактните звезди.
Роля в неутронните звезди и астрономически последици
В зависимост от критичните плътности и параметрите на взаимодействието, в неутронните звезди могат да се наблюдават няколко сценария:
- Хибридни звезди: звезди с ядро от кваркова (включително странна) материя и външна обвивка от ядрена материя.
- Странни звезди: цялата звезда е съставена основно от странна кваркова материя и би имала различни повърхностни и термални характеристики в сравнение с обикновена неутронна звезда.
Наличието на странна материя променя ключови наблюдаеми количества: максималната маса на звезди, радиусите при дадена маса, топлинното охлаждане (через усилено излъчване на неутрино), реакцията при сблъсъци (т.е. приливни деформации, които се наблюдават чрез гравитационни вълни) и поведение при „гличове“ в пулсарите. Конверсията на неутронна звезда в странна звезда би освободила значително количество енергия и поради това се обсъжда като възможен двигател на краткотрайни явления като някои видове гамави избухвания.
Наблюдателни тестове
Идентифицирането на странна материя в астрофизически обекти е предизвикателство, но има няколко потенциални признака:
- фазови диаграми маса–радиус, които да изключват или подкрепят мек/твърд EOS;
- измервания на приливните деформации от гравитационни вълни (LIGO/Virgo) и точни радиуси от мисии като NICER;
- нетипично бързо охлаждане на млади неутронни звезди;
- пряко откриване на странни лети в космически лъчи или при тежко йонни сблъсъци (досега без убедителни резултати).
Експерименти и търсения
Странната материя и странните лети се търсят както в астрофизическите наблюдения, така и в експерименти с тежки йони (колайдери). На Земята са правени директни търсения в космически лъчи и в проби от мезосветлина, но до момента няма неопровержимо потвърждение. Теоретичните модели — например базирани на bag-модели или на модерни многотелни калкулации — дават различни прогнози за стабилността в зависимост от параметрите на силните взаимодействия.
Отворени въпроси
Основните нерешени теми включват дали странната материя наистина е по-стабилна от ядрена материя при реалистични условия, какви са точните параметри на уравнението на състоянието и какви са ясните наблюдателни маркери, които биха позволили окончателно потвърждение. С напредъка на наблюденията на гравитационни вълни, прецизните измервания на маси и радиуси и по-добрите модели на микрофизиката, ще можем да стесним възможностите и да придобием по-ясна представа за ролята на странната материя в космоса.
обискирам