Kummaline aine — kvarkmaterjali määratlus ja roll neutrontähtedes
Kummaline aine on kvarkmaterjali erivorm, mis koosneb peamiselt kvarkidest ja mida iseloomustab märkimisväärne osa kummalistest kvarkidest lisaks tavapärastele üles- ja allapoole kvarkidele. See „vedelikulaadne“ kvarkmatter erineb mittekummalisest kvarkmaterjalist selle poolest, et viimases esinevad valdavalt ainult üles- ja allapoole kvargid, samas kui kummaline aine sisaldab ka kummalisi kvarke. Arvatakse, et selline aine võib eksisteerida väga suurte tiheduste tingimustes, näiteks neutrontähtede tuumades. Kummaline aine tekib alles siis, kui aine tihedus ja surve on nii suured, et neutrontähe tuumas võivad üles- ja allakvargid nõrgainteraktsioonide kaudu osaliselt ümber sünnida kummalisteks kvarkideks. Kõrgema tiheduse korral on teoreetiliselt võimalik ka muid eksootilisi faase — näiteks väga tihetes tingimustes võib tekkida ka kvargikvarkidest koosnev kvarkmaterjali vorm.
Mida tähendab „kummaline“ kvark?
Kummaline kvark (strange quark) on üks kvarki pereliikidest, millel on suurem mass kui üles- ja allakvarkidel. Selle lisandumine kvarkmaterjali muudab aine energiat ja elektrilaengut ning võib muuta tasakaalu, nii et süsteem muutub stabiilsemaks ainult kõrgendatud tiheduse ja energiasisalduse juures. Kummaliste kvarkide teke nõuab nõrkade osakestevaheliste protsesside kaudu aega ja sobivaid tingimusi, milles on kõrge tihedus ja sageli ka kõrged temperatuurid.
Kus kummaline aine võib eksisteerida?
- Neutrontähtede tuumad: teoreetiliselt võib neutrontähe sisemus muutuda oluliselt tihedaks ja osa tuumasisestest n- ja p-osakestest (neutronite ja prootonite kvarkidest) muunduda kvarkmaterjaliks, kus on olemas ka kummalised kvargid.
- Strange star (kummaline täht): kui kogu tähe sisu konverteerub kummaliseks kvarkmaterjaliks, võib tekkida eraldi kompaktne objekt, mida mõnikord nimetatakse kummaliseks täheks ehk „strange star“.
- Hilisemad olulisemad sündmused: äkiline konversioon neutrontähest kummaliseks täheks võib vabastada suures koguses energiat ja anda märku läbi elektromagnetilise kiirguse või gravitatsioonilainete.
Stabiilsuse hüpotees ja strangelet’id
On püütud hinnata, kas kummaline kvarkmaterjal on looduse absoluutne energiaminimum (Witteni hüpotees): kui nii oleks, siis võib puhas kummaline aine olla stabiilne ka madalamatel rõhkudel kui neutronväli. Sellisel juhul võiks eksisteerida väikseid, stabiilseid „kummaliste materjali tüki“ osakesi ehk strangelet’id. Strangelet’id oleksid väga tihedad ja eksootilised osakesed, mille leidmine või puudumine omaks olulist tähendust teoreetilisele mudelile.
Füüsikalised omadused ja faasid
- Tihedus ja rõhk: kummaline aine nõuab väga suuri tihedusi (suurem kui tavalise tuuma tihedus), selliseid tingimusi leidub ainult kompaktsetes tähtedes.
- Elektrilaeng ja osakeste koostis: kummaline aine võib olla vähem elektriliselt laetud või neutraalsem kui tavatuum, kuna kummalised kvargid muudavad laengu ja fermite arvutust.
- Värvijõud ja kvargikondensatsioon: teeoreetilised mudelid prognoosivad võimaluse, et kvarkmaterjalis tekib värvilaadne supervedelik ehk color superconductivity, mis mõjutab soojusjuhtivust ja magnetvälja käitumist.
Observatsioonilised märgid ja otsingud
Kummalise aine olemasolu avastamiseks kasutatakse mitut lähenemist:
- Neutrontähtede massi ja raadiuse seosed: kummaline aine muudaks mass-raadius suhteid, mistõttu tähe massi ja raadiuse täpne mõõtmine (näiteks röntgen- ja gravitatsioonilaineandmete abil) annab vihjeid.
- Külmumine ja termodünaamika: kummalise tuumaga tähed võivad jahtuda teistsuguse kiirusega kui tavalised neutrontähed.
- Pulsarite käitumine: magnetvälja ja pinnatingimuste erinevused mõjutavad pulsarite kiirust ja glitche — nende analüüs võib viidata sisemise faasi olemasolule.
- Gravitatsioonilainete signatuurid: tähtede ühinemisel võivad erineda signaalid sõltuvalt sellest, kas objektid on neutrontähed või kummalised tähed.
- Otseotsingud: kosmilised kiired ja Maa-lähedased eksperimendid otsivad strangelet’e, kuid stabiilsete eksemplaride leidmist ei ole kindlalt tõestatud.
Laboritingimused ja piirangud
Raskete ioonide kokkupõrgetes (nt LHC ja RHIC eksperimentides) luuakse lühiajaliselt äärmiselt kõrge temperatuuriga kvargluoniline plasma, milles tekivad lühiajalised kvarkide segud, sh kummalised kvargid. Kuid sellised keskkonnad on väga kuumad ja lühiajalised, mistõttu püsiva, makroskoopilise kummalise aine moodustumine ei ole nendes oludes tõenäoline. Seetõttu on laboris kuni praeguseni saadud tulemused pigem piiravad ja ei toeta stabiilse kummalise aine olemasolu Maa-sarnastes tingimustes.
Teoreetilised ja praktilised tagajärjed
- Kui kummaline aine oleks absoluutne põhiseisund, muutuksid arusaamad tiheduse piirmõistetest ja stabiilsusest ning võib-olla leiduks uue liiki kompaktseid objekte.
- Potentsiaalsed tehnoloogilised rakendused on praegu puhtteoreetilised — stabiilse kummalise aine käsitlemine tekitab suure hulga avatud küsimusi ja paradokse.
- Kaitseaspektid: teoreetiline arutelu kummaliste osakeste ohtlikkusest on olnud, kuid praegused hinnangud ja eksperimentaalsed tulemused ei viita reaalsetele riskidele Maa-lähedases teadustöös.
Kokkuvõte
Kummaline aine on huvitav ja teoreetiliselt oluline kvarkmaterjali faas, mille olemasolu võiks seletada osa neutrontähtede sisemistest omadustest ja viia uute, eksootiliste kompaktsete objektide mõistmiseni. Kuigi teooriad pakuvad mitmeid võimalusi (sh stabiilsuse hüpotees ja strangelet’id), jääb paljudele küsimustele vastus alles vaatluste, gravitatsioonilaineandmete ja edasiste eksperimentide otsustada.
