奇怪的新形式的核物質可能就在實驗者的掌握之外

奇怪的新形式的核物質可能就在實驗者的掌握之外

在它的中心,一個超新星遺蹟包含一箇中子星,被認為包含了一個夸克物質的“湯”。

在中子星內部——一顆爆炸的中重恆星的殘骸——壓力比太陽的核心要高出10億倍。幾十年來,一些理論物理學家推測,在這種情況下,可能會出現一種奇怪的物質:一種叫做夸克的亞原子粒子的湯。現在,一項新的分析表明,這種湯的配方叫做冷夸克物質,需要修正。如果正確的話,它表明地球上的粒子加速器可能能夠產生夸克物質的穩定部分。它還會對被稱為“奇孔”的假想粒子進行“徹底的研究”,這種粒子曾經被認為是可以毀滅世界的。

“這是一個推測性的論點,但它並沒有明顯的錯誤,”位於紐約阿斯特的布魯克海文國家實驗室的核理論家Robert Pisarski說,他沒有參與這項工作。原子核由質子和中子組成,它們本身由上下夸克的三種組成——這兩種粒子的六種“味道”——被強大的核力束縛著。自20世紀70年代以來,一些理論家曾預言,在中子星的心臟這樣的極端壓力下,夸克可能會掙脫它們的強鏈,製造出一種冷夸克物質的湯。他們還預測,湯的成分與質子和中子的成分不同。他們的計算表明,為了使其能量最小化,夸克物質應該包括第三種夸克的味道,即奇異夸克。

奇怪的新形式的核物質可能就在實驗者的掌握之外

儘管奇怪的夸克只會在粒子加速器的碰撞中迅速出現,但計算表明,這種奇怪的夸克物質可能比普通的核物質具有更低的能量。這意味著奇怪的夸克物質,或者說是奇夸克,可能是穩定的,在原則上,普通的原子核可以改變它們。這種轉變需要將夸克和夸克的相互轉化轉化為奇異夸克——在宇宙的時代,這是不可能自發發生的。但是,在宇宙射線中產生的奇異點,或者在劇烈的天體物理事件中揮之不去,可能會無限期地存活下去。科學家們在很多方面都在尋找它們,但迄今為止都沒有成功。

現在,加拿大多倫多大學的核理論家Bob Holdom和他的同事們說,他們已經消除了奇怪的夸克物質,通過量子效應,夸克改變了空間本身的能量,這是夸克物質總能量的關鍵組成部分。“我們的模型讓我們看到了真空能量是如何依賴於夸克的味道的,”霍爾多姆說。研究人員在物理評論快報上發表的一篇論文中稱,在奇怪的夸克中混合產生的能量比之前認為的要大得多,所以冷夸克物質應該由上下夸克組成。

原子核顯然也不容易轉化成上下夸克物質。研究小組計算出,對於低於質子數300倍的質量,普通原子核是穩定的,因為類似於表面張力的效應會增加夸克物質的能量。然而,如果實驗者努力製造新的超重元素,可能會在質量上超過最重的原子核——oganesson,其原子質量是294——那麼他們就可以做出穩定的“掘金”的上下夸克物質,理論學家預測。

奇怪的新形式的核物質可能就在實驗者的掌握之外

這是奇怪的夸克物質的終結嗎?皮薩斯基說。可能不會,他說,夸克的理論在數學上是難以處理的,就像其他所有人一樣,Holdom不得不求助於近似模型。巴西聖保羅聯邦大學的天體物理學家勞拉鮑盧奇補充說,這種分析也不能排除中子星中奇怪的夸克物質,那裡的密度應該比理論學家假設的要高得多。她說:“我不確定他們所使用的理論是否足以滿足中子星的條件。”

儘管如此,這項研究對於尋找穩定夸克物質的科學家來說可能是個好消息,位於紐黑文的南康涅狄格州立大學的一名實驗人員埃文芬奇說,他通過質譜儀尋找奇石,並尋找具有奇怪電荷與質量比率的粒子。他說,“有一種說法是,也許我們一直在找一個錯誤的地方,”他說。“我有點懷疑,但這很有趣。”

冷夸克物質的新圖景也可以消除對世界的一個牽強附會的威脅。瑞士大型強子對撞機的反對者認為,原子加速器可能會產生帶負電的奇異粒子,在失控的過程中會吞噬帶正電的原子核。物理學家們反駁說,如果這樣的災難是可能的,那麼從太空中來的奇奇會早就消耗掉這個星球了。上下夸克物質肯定會排除世界末日的可能性:它應該是帶正電的,並且排斥原子核。儘管如此,Holdom說,這些東西可能是有用的。用中子轟擊它,它會把它們轉換成夸克物質,同時產生能量,他預測。


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