7/22/2019 PARTCULAS ELEMENTALES, MATERIA EXTRAA Y ESTRELLAS-Luis P. Neira.doc

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PARTCULAS ELEMENTALES, MATERIA EXTRAA Y ESTRELLASEXTRAAS

Parte II

La posibilidad de que la materia de quarks extraos constituya una forma demateria estable ha provocado considerable inters entre los cientficos tericos y

experimentales. En particular, la existencia de gotas de materia extraa (strangelets)

ofrece fascinantes implicancias astrofsicas para la fsica delBig Bang, la materia oscura

faltante en el universo, las explosiones de supernovas y la estructura de las estrellas de

neutrones. Los strangelets podran haberse formado tambin en el ncleo de una estrella

de neutrones y, por absorcin de los quarks de los neutrones constituyentes, convertirla

ntegramente en una estrella extraa. No obstante, resulta dificultoso un enfoque

experimental que involucre strangelets con eventos tan alejados en el espacio y en el

tiempo. En los ltimos aos, ha recibido mucha atencin un planteamiento experimental

alternativo: la produccin de stangelets en la colisiones de iones pesados a elevadas

energas.

1. La bsqueda de la materia extraa

Si la materia de quarks extraos es absolutamente estable, y est presente en la

galaxia, ya sea como una reliquia del Big Bang o constituyendo estrellas extraas, los

pequeos trozos de la misma (que hemos llamado strangelets) podran ser acelerados

por las mismas causas que aceleran los rayos csmicos ordinarios, dando lugar a un

flujo galctico de materia de quarks extraos. De ser as, resultara fcil distinguir

experimentalmente estas partculas de los rayos csmicos ordinarios. En efecto, la

materia de quarks extraos se diferencia de los ncleos ordinarios por la elevadaproporcin entre la masa y la carga elctrica y su estabilidad para cargas elctricas muy

grandes.

Experimentos realizados con detectores subterrneos, sobre el suelo o en el espacio,

no han detectado eventos con carga aparente elevada que fueran consistentes con la

hiptesis de materia de quarks extraos. En cambio se han identificados unos pocos

eventos candidatos con cargas muy bajas. En todos los casos se han establecido algunos

lmites en el intervalo de sus masas.

Otra forma de materia de quarks extraos que es potencialmente detectable en

experimentos con rayos csmicos, lo constituyen un tipo especial de strangelets que no

poseen la energa tpica de los rayos csmicos, sino que tienen velocidades del orden de

las velocidades galcticas (~250 Km/seg). Debido a sus bajas velocidades, estosstrangelets podran ser elctricamente neutros por recoleccin de electrones cuando

recorren la galaxia. Esta posibilidad fue discutida primeramente por A. de Rjula, del

Laboratorio Europeo de Fsica de Partculas (CERN), y S. Glashow, de la Universidad

de Harvard. Estos autores determinaron que la Tierra podra detener strangelets

formados por menos de 1014 quarks. Un encuentro de esa caracterstica sera semejante a

sucesos meteorticos singulares o dejara huellas de partculas en caoln arcaico (de la

primera capa de terreno de la era geolgica precmbrica, cuya antigedad es de unos

4.000 millones de aos). Los strangelets con ms de 1023 quarks tendran suficiente

cantidad de movimiento como para atravesar la Tierra.

Si por algn proceso los strangelets mayores se fragmentaran en trozos constituidos

por 107 quarks, podran haberse incrustado en material metericoy confundirse con losncleos ordinarios. K. Ltzenkirchen, de la Universidad de Mainz, Alemania, ha

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propuesto un mtodo interesante para rastrear strangelets en meteoritos. El mismo se

funda en que las masas de los strangelets son mayores que la de los ncleos tpicos. Por

consiguiente, si se dirige un haz de ncleos de uranio sobre un meteorito que acta

como blanco, y se analiza el porcentaje de los mismos que rebotan directamente hacia

atrs, puede detectarse fcilmente la presencia de candidatos a strangelets. Hasta la

fecha, este experimento no ha aportado pruebas contundentes sobre la existencia demateria extraa.

Alternativamente, se puede recurrir a la observacin cosmolgica para acotar la

cantidad de materia extraa presente en el universo. A temperaturas apropiadas para la

nucleosntesis (producida a los 3.75 minutos del Big Bang), los strangelets habranabsorbido neutrones pero no protones. Esto significa que se reduce la proporcin entre

neutrones y protones, con la consecuente disminucin de la produccin del istopo de

helio de masa 4 ( 4He). La produccin de helio es muy sensible a la superficie total de

los strangelets presentes. Para una masa dada, una gran cantidad de strangelets de radios

pequeos (es decir, elevada proporcin entre rea y volumen) presenta una gran

superficie de absorcin de neutrones.

En 1985, J. Madsen y K. Riisager, de la Universidad de Aarhus, Dinamarca,

probaron cuantitativamente que los strangelets primordiales deban estar constituidos

por lo menos de 1023 quarks para poder justificar la masa oscura faltante y la

concentracin de istopos ligeros.

2. Produccin de gotas de materia extraa en el laboratorio

Mientras que para obtener materia extraa de considerable tamao y absoluta

estabilidad se requiere un evento astrofsico, actualmente es factible producir pequeas

gotas de materia extraa metaestables (es decir, estables por un corto periodo detiempo) en los aceleradores de iones pesados con blanco fijo disponibles en el

Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) y en el CERN. Los experimentos con

aceleradores son complementarios a las importantes investigaciones astrofsicas. En

ellos se simulan muchas de las condiciones presentes en el universo primitivo. Se ha

sugerido buscar la formacin de materia extraa de masa relativamente pequea

(denominadas S-drops) en colisiones de iones pesados a altas energas. Se ha propuesto

asimismo que estas pequeas S-drops metaestables podran estar aisladas y rpidamente

crecer a grandes tamaos estables a travs de la captura de neutrones.

El mecanismo de produccin de los S-drops fue propuesto por Han-Chao Liu y G,

L. Shaw, de la Universidad de California, e independientemente por P. Koch, de la

Universidad de Bremen, H. Stcker, de la Universidad de Frankfurt, y C.H. Greiner, dela Universidad de Erlangen. Bsicamente el proceso puede ser descripto como sigue:

iones pesados (de oro o plomo) que se mueven a velocidades relativistas (del orden de

la velocidad de la luz) colisionan con ncleos pesados del mismo material que oficia de

blanco, desencadenando una onda de choque que eleva la temperatura de la materia

nuclear. Durante la colisin los ncleos (que pueden asimilarse a gotas de lquido)

sufren una transicin de fase y se convierten en un gas formado por diferentes tipos de

hadrones. Conforme aumenta la temperatura, las bolsas de los hadrones se rompen

dejando en libertad a los quarks que lo constituyen. La materia nuclear sufre una

segunda transicin de fase, transformndose en un plasma de quarks y gluones cuyas

caractersticas son similares al estado del universo primitivo (inmediatamente despus

del Big Bang). El plasma, que tiene un tamao considerable, est formado por quarksarriba (u) y abajo (d) de los ncleos originales, y por igual nmero de quarks y

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antiquarks extraos (s y ~s , respectivamente), creados a travs de la energa de colisin.

En una prxima etapa el plasma sufre un proceso de fragmentacin; solamente los

fragmentos con masas pequeas tienen apreciable probabilidad de producir un S-drop.

Estos fragmentos de plasma a continuacin se enfran por emisin de partculas. El

proceso por el cual los quarks se condensan para formar bolsas se denomina

hadronizacin. En efecto, los quarks (s)y(~s ) se combinan con los abundantes quarks

(u) y (d) para formar los mesones K. La generacin de bariones extraos, tales como el

o el , requiere mayor energa que la necesaria para producir los S-drops, razn

por la cual estos ltimos tienen una mayor probabilidad de formacin. A medida que

contina el proceso de enfriamiento, se van formando los S-drops metaestables. El

proceso bsico para la produccin de S-drops est resumido en la Fig.1.

Plasma de quarks y gluones Fragmentacin del plasma

mesones extraos

(u~s ), (d~s )

mesones

salen quarks

smesones K en gotas

S-drop levemente excitado S-drop metaestable

Fotones

Fig. 1. Esquema del proceso de produccin de pequeos S-drops metaestables

3. Deteccin de materia extraa en el laboratorio

Los experimentos destinados a detectar materia de quarks extraos debenproyectarse de manera tal que la misma pueda diferenciarse de la materia hadrnica

convencional. Esto ocasiona un problema adicional, debido al hecho de que las gotas de

materia extraa, a diferencia de las partculas elementales, pueden adquirir una amplia

variedad de masas. Una caracterstica fundamental de las gotas de materia extraa, que

la diferencia de la materia ordinaria, es su reducida proporcin entre la carga y la masa.

Para la materia nuclear normal esa relacin va desde 1 en el caso del protn, hasta 1:2

que corresponde a la mayora de los ncleos (dado que poseen aproximadamente el

mismo nmero de protones que de neutrones). La materia extraa, por el contrario,

presenta una relacin entre carga y masa de 1:10 o 1:20, lo que la hace fcilmente

distinguible de la materia nuclear ordinaria.

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u,d,s

u, d

s, ud

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Para la deteccin de materia extraa se utiliza el espectrmetro magntico. Esteinstrumento utiliza un campo magntico de alta intensidad para desviar los haces de

partculas cargadas. Midiendo el ngulo de desviacin y la velocidad de la partcula

(in) a la entrada del aparato, se determina la relacin entre la carga y la masa de la

misma.

En 1989, H. J. Crawford y sus colaboradores norteamericanos y japoneses,realizaron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven la primera bsqueda precisa de

materia extraa. El experimento consiste en la colisin a alta energa de un haz de iones

de oro con un blanco formado por una lmina del mismo material. Durante la colisin

se generan entre 500 y 1000 partculas. Las mismas ingresan al espectrmetro

magntico, donde primero son focalizadas por un grupo de imanes, y luego son

desviadas al atravesar un intenso campo magntico. Se mide el ngulo de desviacin de

las partculas y en un segundo paso se determinan las velocidades de las mismas. La

velocidad de las partculas ms lentas se calculan midiendo el tiempo de paso entre dos

detectores denominados contadores de centelleo. Estos aparatos consisten en delgadaslminas de plstico que desprenden luz cuando son atravesadas por las partculas

cargadas. Dividiendo la distancia entre los detectores por el tiempo de paso de la

partcula, se calcula fcilmente su velocidad. Para determinar la velocidad de las

partculas ms rpidas se utiliza un contador de Cherenkov. Este aparato se basa en elsiguiente efecto: cuando una partcula cargada se propaga en un medio trasparente con

una velocidad mayor que la velocidad de la luz en dicho medio, emite radiacin visible.

Conociendo el ngulo de desviacin y la velocidad se obtiene la relacin entre carga y

masa.

El espectrmetro de Brookhaven, a pesar de su sencillez, presenta el inconveniente

de que slo puede detectar partculas que se desvan con un ngulo pequeo respecto de

la direccin del haz. El dispositivo presenta asimismo un estrecho intervalo de

sensibilidad: no puede detectarse materia extraa cuya razn de carga a masa seainferior a 1:40.

Diversos grupos experimentales estn subsanando estos inconvenientes. As, P.

B.Price, de la Universidad de California, est experimentando con partculas lentas y

pesadas; mientras que el grupo de J. Sandweis, trabaja en Brookhaven con un

espectrmetro sin imanes focalizadores de 30 metros de longitud y enormes detectores.

En el CERN, se realizan colisiones a energas ms elevadas que las alcanzadas en

Brookhaven, empleando haces de iones de plomo y azufre. Cuentan, a su vez, con un

espectrmetro de casi 500 metros de largo.

La materia extraa, surgida de las lucubraciones de los fsicos tericos, est siendo

buscada con denuedo en la Tierra y en el Cosmos. A pesar de que hasta el momento no

ha sido encontrada, su estudio est enriqueciendo considerablemente la fsica departculas, la astrofsica y la cosmologa.

Quizs nuestro Universo sea un sitio ms extrao que lo que nos parece...

En la Parte III de este artculo estudiaremos las caractersticas y propiedades de las

estrellas extraas, y su relacin con las estrellas de neutrones.

Luis P. Neira Rosario, otoo de 1999.-

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