Dīvainā matērija — kvarku 'šķidrums' neitronu zvaigžņu kodolos
Iepazīsties ar dīvainās matērijas kvarku "šķidrumu" neitronu zvaigžņu kodolos — zinātnisks pārskats par kvarkiem, blīvumu un ekstrēmo kosmisko vidi.
Dīvainā matērija ir viens no iespējamiem kvarku matērijas veidiem — tā ir dekonfinēta kvarku „šķidruma” forma, kurā elementārie dalībnieki vairs nesastopas kā izolēti nukleoni, bet gan kā brīvi (savstarpēji mijiedarbojoši) kvarki un gluoni. Šo stāvokli veido galvenokārt augšupējie, lejupējie un dīvainie kvarki, un to bieži dēvē par dīvaino kvarkmatēriju (angļu valodā: strange quark matter).
Kas tas ir un kā tas atšķiras no parastās matērijas?
Parastā kodolmateriāla uzbūvi nosaka protoni un neitroni, kuros kvarki ir konfinēti iekšējos hadronos. Dīvainā matērija ir stāvoklis, kur kvarki vairs nav cieši saistīti atsevišķos hadronos, bet veido kolektīvu, kvarku šķidrumu. Atšķirība no vienkāršas kvarku vielas (kas satur tikai augšupējos un lejupējos kvarkus) ir tāda, ka dīvainajā matērijā klāt ir arī dīvainie kvarki. Šī papildu kvarku suga var pazemināt sistēmas enerģiju un padarīt to stabilāku zem noteiktiem apstākļiem.
Kur tā var pastāvēt?
Spēkā ir nepieciešami ārkārtīgi augsti spiedieni un blīvumi, tādi kā tie, kas iespējami neitronu zvaigžņu kodolos. Pie šāda blīvuma nukleoni var sabrukt un kvarki „dekonfinēties”, radot dīvainu kvarku šķidrumu. Teorētiski var rasties veseli objekti — tā sauktās dīvainās zvaigznes vai dīvainie „kvarku zvaigznes”, — kuru īpašības atšķiras no parastajiem neitronu zvaigžņu modeļiem.
Fizikālās īpašības un iespējamie ruļļi
- Stāvokļa vienādojums (EoS): dīvainā matērija parasti ir kompaktāka un var atļaut lielāku spēju turēt masu pie mazāka rādiusa nekā parastā neitronu zvaigžņu kodola daļa.
- Stabilitātes hipotēze: pastāv teorētiska ideja (Bodmera–Vitena–Terazavas hipotēze), ka dīvainā matērija varētu būt vispārējais zemākās enerģijas stāvoklis kvarku sistēmām, t.i., stabilāka nekā atsevišķi nukleoni zem noteiktiem parametriem.
- Krāsu supra-vadošība: pie ļoti augstiem blīvumiem kvarku šķidrums var veidot īpašas fāzes (piemēram, color–flavor–locked), kur kvarki pāru veidā kondensējas, radot līdzīgu parādību kā supra-vadošība elektriskajām sistēmām.
- Termiskās un izstarojuma īpašības: kvarku kodols atdziest un izstaro atšķirīgi no kodola, kas sastāv no hadroniem, kas var ietekmēt zvaigznes termisko evolūciju un rentgena emisiju.
Novērojami efekti un kā to konstatēt
Dīvainās matērijas eksistencei nav tiešas galīgas pierādījuma, taču to var meklēt, analizējot astrofizikālus datus:
- Neitronu zvaigžņu masa un rādiuss — precīzi mērījumi (piemēram, no pulsāru laikmetīgajiem novērojumiem) var norādīt uz stingrāku vai mīkstāku stāvokļa vienādojumu.
- Gravitācijas viļņu signāli no zvaigžņu saplūšanas — vilkmes evolūcija un atdeves modelis var atklāt norādes par kodola dekonfinēšanos vai kvarku materijas fāzēm.
- Ātra atdzišana vai neparastas rentgena spektra iezīmes — var liecināt par to, ka kodola daļa sastāv no kvarkiem ar citādiem siltuma pārneses un izstarošanas īpašumiem.
- Enerģijas izdalīšanās pāreju laikā — hipotētiska neitrona zvaigznes pārvēršana par dīvainu zvaigzni varētu izraisīt sprādzienveidīgas parādības vai gamma staru uzliesmojumus.
Īsas piezīmes par «šarmanto matēriju»
Dažos modeļos apspriež arī «šarmanto matēriju», kas satur šarmantajos kvarkus. Lai iekļautu šādus smagākus kvarkus stacionārā stāvoklī, nepieciešami vēl ievērojamāki blīvumi un enerģijas. Tāpēc šarmantā matērija, ja tā vispār pastāv, būtu iespējama tikai ekstremālākos apstākļos nekā dīvainā matērija.
Secinājums
Dīvainā matērija ir spēcīga un interesanta teorētiska iespēja astrofizikā un kvantu hromodinamikā: tā var rasties neitronu zvaigžņu kodolos un ietekmēt šādu objektu īpašības un novērojamos signālus. Lai gan tai vēl nav galīga empīriska pierādījuma, turpmāki precīzi novērojumi (gravitācijas viļņi, pulsāru mērījumi, rentgena spektroskopija) un attīstīti teorētiskie modeļi palīdzēs noskaidrot, vai un kā šāds kvarku „šķidrums” mūsu Visumā pastāv.
Meklēt