Seltsame Sache - Strange matter

Seltsame Materie (oder Seltsame Quark-Materie ) ist Quark-Materie, die seltsame Quarks enthält . In der Natur wird die Hypothese aufgestellt, dass seltsame Materie im Kern von Neutronensternen vorkommt , oder spekulativer als isolierte Tröpfchen, deren Größe von Femtometern ( Strangelets ) bis zu Kilometern variieren kann , wie bei den hypothetischen seltsamen Sternen . Bei einer ausreichend hohen Dichte wird erwartet, dass seltsame Materie farbsupraleitend ist .

Gewöhnliche Materie , auch Atommaterie genannt, besteht aus Atomen, wobei fast die gesamte Materie in den Atomkernen konzentriert ist. Kernmaterie ist eine Flüssigkeit aus Neutronen und Protonen , die wiederum aus Up- und Down-Quarks bestehen . Quark-Materie ist eine kondensierte Form von Materie, die vollständig aus Quarks besteht . Wenn Quark-Materie Strange-Quarks enthält , wird sie oft als Strange-Materie (oder Strange-Quark-Materie) bezeichnet, und wenn Quark-Materie keine Strange-Quarks enthält, wird sie manchmal als nicht-strange-Quark-Materie bezeichnet.

Kontext

In der Teilchenphysik und Astrophysik wird der Begriff „seltsame Materie“ in zwei verschiedenen Kontexten verwendet, einer breiter und der andere spezifischer und hypothetischer:

  1. Im weiteren Kontext sagt unser derzeitiges Verständnis der Naturgesetze voraus, dass seltsame Materie entstehen könnte, wenn Kernmaterie (aus Protonen und Neutronen ) über eine kritische Dichte hinaus komprimiert wird. Bei diesem kritischen Druck und dieser kritischen Dichte dissoziieren die Protonen und Neutronen in Quarks, wodurch Quark-Materie und möglicherweise seltsame Materie entstehen.
  2. Der spezifischere und hypothetische Kontext ist, dass Quark-Materie tatsächlich der wahre Grundzustand aller Materie und damit stabiler als gewöhnliche Kernmaterie sein könnte. Diese Idee ist bekannt als die „Strange Materie-Hypothese“ oder die Bodmer- Witten- Annahme. Nach dieser Hypothese sind die Kerne der Atome, die wir um uns herum sehen, nur metastabil , selbst wenn der äußere kritische Druck Null ist, und mit genügend Zeit (oder dem richtigen Stimulus) würden die Kerne in stabile Tröpfchen aus fremder Materie zerfallen. Tröpfchen aus fremder Materie werden auch als Strangelets bezeichnet.

Seltsame Materie, die nur bei hohem Druck stabil ist

Im Allgemeinen kann seltsame Materie in Neutronensternen vorkommen, wenn der Druck in ihrem Kern hoch genug ist (dh über dem kritischen Druck). Bei den Dichten und hohen Drücken, die wir im Zentrum eines Neutronensterns erwarten, wäre die Quark-Materie wahrscheinlich seltsame Materie. Es könnte sich auch um nicht-strange-Quark-Materie handeln, wenn die effektive Masse des Stranges-Quarks zu hoch wäre. Charm- Quarks und schwerere Quarks würden erst bei viel höheren Dichten auftreten.

Seltsame Materie entsteht, um den Degenerationsdruck zu lindern . Das Pauli-Ausschlussprinzip verbietet, dass Fermionen wie Quarks dieselbe Position und dasselbe Energieniveau einnehmen. Wenn die Teilchendichte hoch genug ist, dass alle Energieniveaus unterhalb der verfügbaren thermischen Energie bereits besetzt sind, erfordert eine weitere Erhöhung der Dichte das Anheben einiger auf höhere, unbesetzte Energieniveaus. Dieser Energiebedarf, um eine Kompression zu bewirken, manifestiert sich als Druck. Normalerweise besteht Materie aus doppelt so vielen Down-Quarks (Ladung −1/3 e ) als Up-Quarks (Ladung +2/3 e ), so dominiert der Entartungsdruck von Down-Quarks die elektrisch neutrale Quark-Materie. Wenn das erforderliche Energieniveau jedoch hoch genug ist, steht eine Alternative zur Verfügung: Die Hälfte der Down-Quarks kann in Strange-Quarks umgewandelt werden (Ladung −1/3 e ). Die höhere Ruhemasse des seltsamen Quarks kostet etwas Energie, aber durch das Öffnen eines zusätzlichen Satzes von Energieniveaus kann die durchschnittliche Energie pro Teilchen niedriger sein, wodurch seltsame Materie stabiler wird als nicht-fremde Quark-Materie.

Ein Neutronenstern mit einem Quark-Materie-Kern wird oft als Hybridstern bezeichnet. Es ist jedoch schwer zu sagen, ob Hybridsterne in der Natur wirklich existieren, da die Physiker derzeit wenig Ahnung haben, wie hoch der wahrscheinliche Wert des kritischen Drucks oder der kritischen Dichte ist. Es erscheint plausibel, dass der Übergang zur Quark-Materie bereits stattgefunden hat, wenn der Abstand zwischen den Nukleonen viel kleiner wird als ihre Größe, so dass die kritische Dichte kleiner als etwa das 100-fache der Kernsättigungsdichte sein muss. Eine genauere Abschätzung ist jedoch noch nicht verfügbar, da die starke Wechselwirkung , die das Verhalten von Quarks bestimmt, mathematisch schwer zu handhaben ist und numerische Berechnungen mit Gitter-QCD derzeit durch das Fermion- Vorzeichen-Problem blockiert werden .

Ein Haupttätigkeitsbereich der Neutronensternphysik ist der Versuch, beobachtbare Signaturen zu finden, anhand derer wir feststellen könnten, ob Neutronensterne Quarkmaterie (wahrscheinlich seltsame Materie) in ihrem Kern haben.

Seltsame Materie, die bei Nulldruck stabil ist

Wenn die "Fremdstoff-Hypothese" wahr ist, ist Kernmaterie gegen den Zerfall in Fremdmaterie metastabil. Die Lebensdauer des spontanen Zerfalls ist sehr lang, daher sehen wir diesen Zerfallsprozess um uns herum nicht. Unter dieser Hypothese sollte es jedoch seltsame Materie im Universum geben:

  1. Quarksterne (oft als "seltsame Sterne" bezeichnet) bestehen von ihrem Kern bis zu ihrer Oberfläche aus Quarkmaterie. Sie hätten einen Durchmesser von mehreren Kilometern und könnten eine sehr dünne Kruste nuklearer Materie aufweisen.
  2. Strangelets sind kleine Stücke seltsamer Materie, vielleicht so klein wie Kerne. Sie würden entstehen, wenn seltsame Sterne entstehen oder kollidieren oder wenn ein Kern zerfällt.

Siehe auch

Verweise