Misteri dell'Universo: Materia strana, nuovo (ipotetico) stato della Materia

Gli astronomi si chiedono COSA SUCCEDE SE UNA STELLA DI NEUTRONI COLLASSA. La risposta si trova in alcune particelle elementari dette QUARK, che formano i protoni e i neutroni.  Se la pressione supera il livello di guardia, i neutroni che compongono la stella di neutroni, si scompongono in quark che, una volta divenuti estremamente compressi, si trasformano in "Quark Strani", che costituiscono la Materia Strana.  

DI CHE SI TRATTA

La materia strana è un ipotetico stato ultra-denso della materia che si ritiene possa formare la parte interna particolarmente densa delle stelle di neutroni. Oppure col termine materia strana, in fisica delle particelle, ci si può riferire a materia composta non da particelle ordinarie come protoni e neutroni, ma a particelle composta anche da quark strange oltre che dai quark up e quark down che caratterizzano la materia ordinaria. Le particelle strane sono previste dal modello standard e la loro scoperta è stata una validazione del modello del nucleo formato da quark. È stato ipotizzato che quando il neutronio che forma una stella di neutroni viene sottoposto a una pressione, dovuta alla gravità della stella, sufficientemente alta i singoli neutroni si rompano. I quark che li costituiscono interagiscono tra loro ad altissima pressione e temperatura, quindi guadagnando molta energia, e formando quark strani. A questo stadio la stella viene chiamata stella strana o stella di quark. La materia strana è composta da quark up, quark down e quark strange legati gli uni agli altri direttamente dalle interazioni fondamentali. Una stella strana è essenzialmente un gigantesco nucleone. Essa si colloca tra le stelle a neutroni ed i buchi neri sia in termini di massa sia in termini di densità; se si aggiungesse una quantità sufficiente di materia alla stella strana, aumentando ancora la sua densità quindi, essa potrebbe collassare in un buco nero, proprio come ogni oggetto raggiunta la densità limite che lo porta al collasso.  Alcune teorie ipotizzano che la materia strana possa essere stabile al di fuori dell'intensa pressione che la produce; se così fosse, potrebbero esistere nello spazio piccoli frammenti substellari di stelle strane (talvolta chiamati strangelet) in un ampio raggio di dimensioni costantemente al di sotto della scala atomica. Si pensa che la materia ordinaria, venendo a contatto con uno strangelet, possa essere trasformata in materia strana dalla sua pressione; gli strangelet sarebbero quindi in grado di mangiare tutta la materia ordinaria con cui vengono a contatto, come pianeti o stelle. Essi aumenterebbero gradualmente di dimensioni perché, dopo aver mangiato tutti i protoni dei nuclei, acquisterebbero una carica elettrica positiva che attrarrebbe gli elettroni circondandoli con una nuvola di cariche elettriche negative. Quando la carica divenisse abbastanza grande, lo strangelet inizierebbe a produrre elettroni e positroni intorno a sé stesso. Ogni nucleo che passasse lì vicino, vedrebbe annichilirsi tutti i suoi elettroni dai positroni e la carica negativa dello strangelet lo spingerebbe all'interno. I maggiori fisici teorici, sebbene riconoscano questa possibilità, ritengono che sia molto improbabile. Si ritiene che gli strangelet abbiano carica elettrica netta positiva che viene neutralizzata dalla presenza di elettroni degenerati che si dispongono leggermente al di là del confine dello strangelet come se rappresentassero una specie di atmosfera di elettroni. Se un nucleo atomico di materia ordinaria incontra uno stragelet esso si avvicinerà finché inizierà a penetrare questa atmosfera elettrica di carica negativa. A questo punto inizierà a risentire del potenziale elettrico positivo e quindi subirà una repulsione da parte dello strangelet. I nuclei sufficientemente energetici o i neutroni, che non risentono della carica elettrica, possono raggiungere lo strangelet ed esserne assorbiti; il rapporto tra i quark up, down e strange verrà riaggiustato mediante il decadimento beta. La materia strana è uno dei candidati costituenti della materia oscura prevista in numerose teorie cosmologiche.

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GLI STRANGELET

Uno strangelet è una particella ipotetica, uno stato legato contenente dei quark di tipo strange che, se l'ipotesi di materia strana fosse corretta, potrebbero essere più stabili che gli stati legati di quark della materia ordinaria (quark up e quark down) come i protoni e i neutroni. Secondo la teoria, uno strangelet dovrebbe essere composto da un numero uguale di quark up, quark down e quark strange, e andrebbe a costituire l'unità fondamentale della materia strana, che, a sua volta, formerebbe le stelle strane. Più in generale, uno strangelet può essere definito come un frammento isolato di materia strana. Quest'ultima è stata proposta come candidato per la costituzione della materia oscura. Le particelle conosciute composte da quark strange sono instabili per il fatto che questo è più pesante dei quark up e down, quindi le particelle strane, come la Particella lambda, che contiene un quark up, un quark down e un quark strange, perdono sempre la loro stranezza, decadendo in particelle più leggere che contengono solo quark up e down tramite l'interazione debole. Tuttavia, stati di materia con un grande numero di quark potrebbero non essere soggetti a questa instabilità: secondo questa ipotesi, quando è presente un numero abbastanza grande di quark legati tra loro, il livello a più bassa energia risulta essere quello in cui ci siano più o meno lo stesso numero di quark up, down e strange, e questa composizione della materia prende il nome di strangelet. Questa stabilità si verrebbe a creare in virtù del principio di esclusione di Pauli: infatti, essendo presenti 3 tipi di quark, al contrario di quanto avviene nella materia ordinaria che presenta solo quark up e down, più quark possono essere posti in livelli di energia più bassi. Un nucleo è un raggruppamento di un grande numero di quark up e quark down, che a loro volta sono confinati in triplette che vanno a costituire protoni e neutroni. Secondo l'ipotesi della materia strana, gli strangelets sarebbero più stabili dei nuclei, pertanto ci si aspetta che i nuclei di materia ordinaria debbano decadere in strangelets. Tuttavia questo processo potrebbe rivelarsi estremamente lento, poiché c'è un grande gap energetico da superare: solamente se si verificassero numerosi decadimenti simultanei il numero di quark strange potrebbe raggiungere il punto critico che farebbe passare lo stato della materia a un livello energetico inferiore. È molto improbabile che ciò accada, pertanto anche se l'ipotesi della materia strana resta corretta, non si assisterà mai ad un decadimento di un nucleo atomico in uno strangelet, in quanto il tempo necessario affinché questo avvenga è stimato essere superiore all'età dell'universo. La stabilità degli strangelets dipende dalle loro dimensioni. Ciò è dovuto alla presenza della tensione superficiale che si crea tra i quark e il vuoto, che è più rilevante negli strangelet piccoli piuttosto che in quelli grandi. Inoltre uno strangelet si circonda di una nuvola di elettroni/positroni che crea uno schermo carico elettricamente attorno al "nucleo", ma affinché la carica interna sia neutra, è necessario che le dimensioni dello strangelet siano paragonabili a quelle della materia ordinaria. La distanza di questo schermo dal nucleo di quark tende a essere intorno all'ordine dei femtometri, dunque solo i pochi femtometri esterni di uno strangelet possono portare carica. Non si sa quale sia la tensione superficiale della materia strana. Nel caso in cui fosse più piccola di un certo valore critico (pochi MeV per femtometro al quadrato), gli strangelets più grandi tenderebbero a decadere in strangelets più piccoli; tuttavia ciò potrebbe essere controbilanciato dalla gravità all'interno di una stella strana. Se invece la tensione superficiale fosse maggiore del valore critico, gli strangelets sarebbero tanto più stabili quanto più grandi. Sempre se l'ipotesi della materia strana fosse corretta, uno strangelet a carica negativa prodotto in un acceleratore che incontra della materia ordinaria potrebbe convertire quest'ultima in materia strana (cioè composta da quark strange), il che scatenerebbe una reazione a catena la quale porterebbe alla conversione di tutta la materia della Terra in materia strana. Se lo strangelet prodotto avesse carica positiva non vi sarebbero invece conseguenze pericolose.