Колыбель для страпельки

    Как известно, из-за продолжающейся эпидемии затягивается ремонт и откладывается запуск Большого Адронного Коллайдера. Еще не так давно, в середине 2010-х, работа этого грандиозного ускорителя частиц позволившего в 2012 году обнаружить бозон Хиггса и достроить Стандартную модель, могла сравниться по масштабу только с открытием гравитационных волн. Два этих события настолько органично дополняли друг друга и отмечали как один из последних кирпичиков в здании Старой Физики, так и один из первых в основании Новой, что почти незаметным осталось одно экзотическое звено, связывающее эти открытия. Это звено – таинственная странная материя, возможное существование которой обсуждалось еще в 1980-е. Возникновение мельчайших частиц подобной материи (страпелек, о которых мы здесь еще поговорим) было серьезным поводом для беспокойства еще на этапе конструкции БАК. Кроме того, коллаборация LIGO, впервые зафиксировавшая гравитационные волны при столкновении двух черных дыр, также открыла и события другого рода: столкновения нейтронных звезд и столкновение черной дыры с нейтронной звездой с поглощением последней. Именно при таких столкновениях нейтронные звезды заметно деформировались. Это и позволяет предположить, что на самом деле нейтронные звезды не однородны, а имеют слоистую структуру, как, впрочем, уже предполагалось ранее. Вещество, находящееся внутри нейтронных звезд, не может быть похоже ни на один материал, известный нам из повседневного опыта. Согласно традиционной точке зрения, нейтронная звезда представляет собой буквально «огарок» от обычной звезды, «при жизни» сравнимой по массе с Солнцем. Поскольку такая звезда должна состоять не из атомов, а из максимально плотно прилегающих друг к другу нейтронов, предполагается, что это и есть максимально плотное вещество во Вселенной, «чайная ложка которого весит как гора Эверест». Но именно факт сжатия двух нейтронных звезд при столкновении дал новый толчок к исследованию странной материи.

    Нейтронные звезды

    Привычная нам материя состоит из нуклонов — атомных ядер с различной массой, зависящей от количества протонов и нейтронов в ядре. Протоны и нейтроны (нуклоны) удерживаются в компактном виде благодаря сильному ядерному взаимодействию. Это же взаимодействие, сохраняющееся в масштабах атомного ядра, отвечает за целостность самих нуклонов. Нуклоны состоят из кварков и глюонов – элементарных частиц, близких по природе к электронам (и кварки, и электроны относятся к классу фермионов). Тем не менее, в свободном виде, вне нуклонов, кварки в привычных нам условиях не встречаются, и это принципиальный момент. Получить свободный кварк в лаборатории невозможно, как невозможно получить магнит с одним полюсом. Явление неразрывной связи между кварками, проиллюстрированное ниже, называется «конфайнмент» (дословно: «удержание» или «невылетание»).

    Считается, что нейтронные звезды состоят из одних нейтронов именно в силу действия гравитации: сплющивающиеся атомы теряют электроны, затем протоны превращаются в нейтроны. В результате получается звезда размером с город (книга Сергея Попова с аналогичным подзаголовком – один из наиболее интересных русскоязычных текстов о нейтронных звездах). Первыми из нейтронных звезд были открыты пульсары – это звезды, испускающие периодические импульсы в радиодиапазоне. Впервые пульсары были обнаружены в 1967 году и даже приняты за источники радиосигналов внеземного происхождения.

    Но также не исключено, что при колоссальных давлениях внутри нейтронной звезды материя продолжает видоизменяться и далее, и отдельные кварки, отцепившись от нейтронов, могут существовать в свободном состоянии. Такая субстанция называется «кварк-глюонная плазма» или «кварковый суп». В 2018 году капельки кварк-глюонной плазмы впервые удалось получить экспериментально. Предполагается, что она могла существовать в первые миллисекунды после Большого Взрыва, а также, что такая материя может образовываться при столкновениях нейтронных звезд.

    Коллайдер и страпелька

    Напомню, что слово «коллайдер» происходит от английского слова «collide» со значением «сталкиваться». Действительно, этот ускоритель частиц рождает новые частицы, получающиеся при столкновениях других элементарных частиц. Экзотичность этих частиц и (в принципе) материи, образующейся в коллайдере, теоретически не ограничена ничем кроме энергии столкновения (измеряется в гигаэлектронвольтах, ГэВ) – а свойства этой материи могут быть разнообразными вплоть до непредсказуемости.

    Еще в 2008 году вышел обширный научный отчет под названием «Review of the safety of LHC collisions» (Обзор факторов, связанных с опасностью столкновений в БАК). В этом документе рассмотрено, чем столкновения частиц в коллайдере отличаются от взаимодействий частиц в космических лучах, и, в частности, почему в подобном ускорителе не должны возникать макроскопические черные дыры и страпельки.

    Страпелька — объект до сих пор не обнаруженный, но настолько интересный и потенциально фатальный, что здесь я расскажу о нем подробнее. Страпелька – это образец «странной материи», микросгусток вещества, состоящего из странных кварков. Термин происходит от английского "strangelet" (strange + droplet, "странный + капля"), и в русскоязычной литературе, в частности, в этой работе С. Б. Шаулова, до сих пор встречается перевод "странглет". Тем не менее, к настоящему времени больше прижился перевод "страпелька" (странная + капелька), придуманный в 2005 году астрофизиком Сергеем Поповым.

    Вот как рассказано о странной материи в рассматриваемом источнике:

    Обычная материя, из которой состоим мы, а также все наблюдаемые объекты во Вселенной, слагается из двух самых легких видов кварков – верхних (up) и нижних (down). Более тяжелые и нестабильные кварки были открыты при столкновениях частиц в космических лучах, а также в ускорителях частиц, причем, самый легкий кварк из этой второй категории называется странным (strange). Частицы, содержащие странные кварки, синтезируются в лабораториях уже не одно десятилетие. Такие частицы распадаются за время порядка наносекунд или менее. Столь малые сроки жизни обусловлены слабым взаимодействием, также лежащим в основе явления радиоактивности. Также удавалось наблюдать нестабильные частицы, содержащие два или три странных кварка. Было продемонстрировано, что частицы, содержащие один странный кварк, могут связываться с обычной материей, образуя так называемые «гипероны», которые, опять же, распадаются в пределах нескольких наносекунд.

    Таким образом, странная квантовая материя – гипотетическое состояние вещества, в котором количество верхних, нижних и странных кварков примерно равно. Гипотетические микросгустки, состоящие только из странных кварков и имеющие массы, сравнимые с массой нуклонов, принято называть «страпельками» («странными капельками»). Если страпельки и существуют, то сроки их жизни, вероятно, также не превышают порядка наносекунды.

    Чрезвычайная опасность страпельки заключается в том, что, вступив в контакт с обычной материей, она может спровоцировать превращение всех окружающих ее кварков в странные и, соответственно, лавинообразный переход всей материи в странную. Таким образом, страпелька напоминала бы воннегутовский лед-девять.

    К настоящему времени никаких доказательств существования страпельки не зафиксировано. Страпельки не удалось найти в лунном грунте, где они могли бы присутствовать в следовых количествах как результат бомбардировки космическими лучами. В принципе предполагается, что страпельку можно получить слиянием гиперонов или дистилляцией кварк-глюонной плазмы.

    Предполагается, что странная материя может существовать как раз в нейтронных звездах. Запредельное давление в недрах этих объектов располагает к тому, чтобы нейтроны распадались на отдельные кварки. Поскольку нейтроны не являются подлинно элементарными частицами, а кварки, напротив, являются – возможно, что именно кварковая материя является идеальным и абсолютно устойчивым состоянием вещества. В принципе, все звезды, которые мы считаем нейтронными, могут оказаться «странными» - состоящими из свободных кварков, прикрытых тонкой коркой нейтронов, а еще выше – слоем из обычных атомов железа и кремния. 

    Существует объективный способ дистанционно отличить подлинно странную звезду от нейтронной. Согласно теоретическому сравнению свойств нейтронных и странных звезд, которое систематизировано в таблице 1 здесь, энергия на барион у нейтронной звезды должна составлять более 930 МэВ, а у странной звезды быть примерно равной или меньшей 930 МэВ. Таким образом, если в ядре звезды началось спонтанное превращение обычной материи в странную, эта звезда должна постепенно остывать и казаться холодной на фоне аналогичных звезд (в частности, пульсаров). Остывание звезды должно происходить в том числе и потому, что энергия тратится на преобразование материи из обычной в странную.

    На этой иллюстрации приведены тепловые карты трех типичных пульсаров (сверху) и пульсара 3C58 (снизу). Его расчетная температура должна составлять около 1,5 млн градусов Цельсия, но не дотягивает и до 1 млн. Такая аномалия может объясняться образованием странной материи в недрах 3C58.

    Также существуют интересные предположения о способах поиска странных планет. Если планета обращалась вокруг пульсара (или странного белого карлика), и пульсар успел превратиться в странную звезду, а потом ближнюю планету зацепило страпельками от этой звезды, которая еще недавно была нейтронной, то вся планета вскоре превратится в странную материю. При этом радикально возрастет плотность такой планеты. Если плотность золота равна 19,3 г/см3, а средняя плотность обычной каменной планеты (с учетом исключительной плотности ядра) – не более 30 г/см3, то плотность планеты из странной материи может достигать 400 000 000 000 000 (четыреста триллионов) г/см3. Вследствие этого такие планеты должны быть намного компактнее известных нам экзопланет. Кроме того, подобная материя была бы гораздо устойчивее к гравитационному воздействию звезды, и орбита такой планеты могла бы пролегать в непосредственной близости от пульсара – но планета при этом бы не разрушалась. Обычная планета может занять орбиту не ближе 560 000 км от звезды, прежде, чем будет разорвана, тогда как странная планета могла бы приблизиться к небольшой звезде на 20-25 километров. В 2019 году вышла статья китайских ученых, посвященная поиску таких объектов-кандидатов, обращающихся вокруг пульсаров и белых карликов. Приведу здесь таблицу 3 из упомянутой работы.

    Заряд и стабильность странной материи

    Остается без ответа и вопрос о том, каков электрический заряд страпельки — положительный или отрицательный. В исследованиях конца XX века указывалось, что в больших объемах странная материя должна обладать отрицательным зарядом при конечной температуре, что объясняется взаимодействиями глюонов. Но страпельки среднего размера, образующиеся в поверхностном слое странной материи, могут иметь небольшой положительный заряд. Положительный заряд страпельки может сохраняться, пока ее барионное число находится в пределах 102 – 1018.

    Катастрофические эффекты, связанные с неограниченным ростом страпельки, могут возникать именно при отрицательном заряде страпельки, поскольку в таком случае она начала бы поглощать положительно заряженные протоны. Но, поскольку наиболее вероятно, что страпелька заряжена положительно, а странная звезда – отрицательно, реалистичным представляется следующий сценарий: превращению ядерной материи в кварковую препятствует кулоновский барьер электрона, равный 9 МэВ и достаточный, чтобы положительно заряженная страпелька не вошла в контакт с обычной материей. Именно в недрах нейтронных звезд это ограничение не действует, так как там отсутствуют электроны, и условия (среда, состоящая из нейтронов + огромное давление) располагают к переходу обычной материи в кварковый суп и далее в странную материю по мере накопления в ней странных кварков.

    Заключение

    Завершая эту статью, отмечу, что совсем недавно (2019-2020 годы) было доказано, что обычная материя активно взаимодействует со странной, то есть, в лабораторных условиях можно получать не только гипероны, но и гибридные ядра, в состав которых входят протоны, нейтроны и гиперон. В 2012 году был обнаружен гиперводород, теоретически предсказанный в 1964 году. Ядро этого элемента состоит из четырех нейтронов, одного протона и лямбда-гиперона. Также были получены ядра гипертритона – модифицированного трития. В таком ядре вместо протона и трех нейтронов содержится протон, два нейтрона и лямбда-гиперон. Возможно, ядерные реакции именно такого рода осуществимы между обычными ядрами и материей из недр нейтронной звезды. Таким образом, остается вероятность, что удастся не только обнаружить, но и искусственно получить, и безопасно исследовать материю, состоящую только из странных кварков – а затем сделать выводы о том, что именно происходит внутри нейтронных звезд, и почему остывают пульсары.      

    Комментарии 28

      0
      Если я правильно посчитал (что на самом деле далеко не факт), радиус планеты типа Земли, перешедшей в странную материю, будет что-то около… микрометра? Довольно сложно обнаружить такое в принципе, тем более на орбите нейтронной звезды.
        +1

        Нет. Гораздо больше. При радиусе 8 мм Земля уже становится черной дырой.

          0
          вероятно вы поделили радиус земли на примерно 400 000 000 000 000, а надо было взять кубический корень от отношения этой плотности к средней плотности земли — линейные расстояния меняются как куб от объёма.
            0
            Точно! Тут вы правы, и впрямь ошибся.
          0
          Индекс цитируемости Сергея Попова растет, это радует :D
          У него на ютубе есть цикл типа лекций про нейтронные звезды (и вообще много про что из астрономии). Там, в принципе, он рассказывает ровно то, о чём и написал в своей книге. Вполне доступным языком даже для школьников
            0

            Только очень жаль, что Сергей отключил комментарии под всеми своими видео. Это расстраивает. Понимаю, что его бесят нубские вопросы и комментарии и всяких неучей, но мог бы сам просто их не читать.

              0
              Добавлю ещё, что сам термин «страпелька» ввёл также Сергей Попов.
                0
                Спасибо, добавил в статью уточнение об этом
                  0

                  То есть, это может быть маргинальной теорией?

                0
                есть мнение/гипотеза/предположение/фантазия что странная материя может являться источником антиматерии. при определенных условиях странные кварки могут распадаться на обычные кварки при этом в соответствии с законами сохранения энергии и цвета при таком распаде должно образовываться много пар кварк-антикварк. в случае если бы эти пары удалось разделить при распаде можно было бы извлекать из странной материи антиматерию.
                  0
                  Также были получены ядра гипертритона – модифицированного трития

                  Напоминает дилитий из стар трека.
                  Интересно может ли материя из более тяжелых кварков или имеющая их в составе обладать
                  свойствами как например нулевой элемент из mass effect. Или создавать антигравитацию.?
                  Может именно такая материя ключ к новой физике и ключ к управлению остальными взаимодействиями помимо электромагнитного.

                    0
                    ОТО. Гравитация — не поле. В силу этих причин антигравитация не существует.
                    Года два тому провели исследования. Антиматерия так же подчиняется обычным законам гравитации.
                      0

                      "Оттаокивающая" гравитация не противоречит и, в принципе, возможна как в рамках ОТО, так и некоторых других физических моделей. С другой стороны, конечно, к классической материи и антиматерии экзотическая материя с экзотической гравитацией не имеет.

                        0
                        Интересен механизм «отталкивающего» искривления метрики пространства-времени. Или расталкивающего, тогда уж? Не буду спрашивать о понятии «экзотического» искривления метрики.
                          0

                          Механизма, как такового, нет. Как я сказал выше, сама идея материи с отрицательной гравитацией лежит в пределах Теории Относительности. В рамках тех же уравнений Эйнштейна физик Мигель Алькуберье "создал" "варп-двигатель", который, в том числе, использует отрицательную гравитацию для своей теоретической работы. Проблема только в том, что материи с отрицательной гравитацией нет, потому она и "эзкотическая".

                            0
                            Понятно. Думаю вам надо почитать. Даже газетные заметки в описании «Алькуберье» понятия антигравитации не применяли.
                              0

                              Да, только идея двигателя основана на использовании материи с отрицательной массой, которая будет иметь, согласно ОТО, отталкивающее гравитационное действие. Среди обывателей это называется анти-гравитацией.

                                0
                                Вы не читали. Там не было о материи с отрицательной массой вообще ничего. Вообще. Ничего. Вы либо читаете «знатока» своего класса (отрицательного знания) либо сознательно брешете.
                                Школьный курс ОТО прочитайте. Там тоже ничего. Вообще ничего. Гравитация не может быть отрицательна.
                                  +1

                                  Мне кажется, это вы не читали. Выдержка из самой работы Алькуберье — для работы уравнения необходима материя с negative [gravimetric] energy density (отрицательной массой), либо что-то другое с похожим эффектом:


                                  "We see then that, just as it happens with wormholes, one needs exotic matter to
                                  travel faster than the speed of light. However, even if one believes that exotic matter is
                                  forbidden classically, it is well known that quantum field theory permits the existence of
                                  regions with negative energy densities in some special circumstances (as, for example, in
                                  the Casimir effect [4]). The need of exotic matter therefore doesn’t necessarily eliminate
                                  the possibility of using a spacetime distortion like the one described above for hyper-fast
                                  interstellar travel."


                                  А вот статья по поводу теоретического гравитационного взаимодействия объектов с негативной массой — они обладают отталкивающей гравитационного силой и обычная материя от нее отталкивается:


                                  https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1957RvMP...29..423B


                                  Все это в сумме, по-простому, (а Хабр не научный ресурс) называется антигравитацией. Когда объект отталкивает (или отталкивается) от объекта за счет гравитационного воздействия это антигравитация. И ей, в рамках ОТО, особо ничего не мешает существовать. И естественно, что антигравитация не имеет ничего общего с антиматерией. А если вы посмотрите, ровно обо всем об этом и был мой изначальный комментарий.

                                    0
                                    Ясно. Прошу прощения за то что обидел. Но, как бы сказать помягче, эффект Казимира, упомянутый в цитате, не имеет никакого отношения ни к каким эффектам с «отрицательной энергией». Автор не разобрался что сие такое.
                                    Ни разу не видел в ОТО ничего подобного на антигравитацию. Как вы себе ее представляете? Где она такое допускает? Я могу, для примера, в уравнение свободного падения подставить отрицательную массу и получить гравитационное отталкивание и тоже утверждать что Ньютонова механика допускает антигравитацию. Можете привести выкладки в ОТО, где «ничто не мешает существовать»?

                                    Интересный источник, где статьи платные. Как вы вошли? Оплатили доступ?
                                    В общем понял откуда вы почерпнули знания, но мне они так же кажутся полным бредом.
                                      0
                                      При помощи товарища «OlegSivchenko» скачал сию статью «Negative Mass in General Relativity». И что же там делает автор? Именно это «а давайте в уравнения подставим отрицательную массу». Я понимаю во время пьянки на кухоньке таким побаловаться, да и то, как из известного мультфильма, услышать «Поздравляю, Шарик, ты балбес».
                                      В общем крайне неубедительно. Ну и множественные экспериментальные данные указывают на 1)Инерциальная масса соответствует гравитационной. 2)Различия меж «активной» и «пассивной» (авторские изобретения) отсутствуют.
                      +1
                      Таким образом, страпелька напоминала бы воннегутовский лед-девять.

                      Ведьмин студень же!

                        0
                        В заключении можно ещё добавить недавно зарегистрированную реакцию IBUKU
                        Ξ + 14N → 10ΛBe + He
                        с получением гипер-гелия и гипер-бериллия.
                        Подробнее: nplus1.ru/news/2021/02/18/bound-state-xi-n
                          0
                          Концепцию астротела, состоящего только из электронов упустили.
                            –1

                            Страпелька — возможная причина почему нет других цивилизаций. Чуваки построили очень большой андронный коллайдер, получили страпельку и превратились в мяч для гольфа. Вот интересно, какие шансы уцелеть на соседней планете, или спутнике. Или накроется вся солнечная система со звездой?

                              +1
                              адронный
                              0

                              Возможно скажу глупую мысль… но мне не понятно — если странные кварки превращают другие кварки тоже в странные, и при этом перестают существовать через наносекунды, как вся эта каша остается стабильной?
                              Если она все же не стабильна, можно ли с помощью странных кварков аннигилировать материю? Пускаешь странный кварк в материю, он ее превращает в странную материю которая аннигилируется спустя наносекунды… только нужно найти как остановить эту цепную реакцию :)

                                0
                                Я продолжу вопрос, почему странный кварк превращает обычный в странный? На каком основании
                                И почему не происходит обратного движения: обычный не превращает странный в обычный?

                                Куда не глянешь, везде боятся превращения материи в странную. Но на основании чего такие страхи?

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое