기묘 물질

기묘 물질(strange matter) 또는 기묘 쿼크 물질(strange quark matter)은 기묘 쿼크를 포함하는 쿼크 물질이다. 극한 환경에서 기묘 물질은 중성자별의 핵에 존재할 것으로 가설이 세워져 있으며, 더 추측을 보태자면 가상의 기묘 항성에서처럼 크기가 펨토미터(기묘체)에서 킬로미터에 이르는 고립된 방울 형태로 존재할 수도 있다. 충분히 높은 밀도에서 기묘 물질은 색초전도 상태를 나타낼 것으로 예상된다.

일반적인 물질(원자 물질이라고도 함)은 원자로 구성되어 있으며, 거의 모든 질량이 원자핵에 집중되어 있다. 핵물질은 중성자와 양성자로 구성된 액체이며, 이들은 다시 위 쿼크와 아래 쿼크로 구성된다. 쿼크 물질은 완전히 쿼크로만 구성된 응집된 형태의 물질이다. 쿼크 물질이 기묘 쿼크를 포함하지 않을 때는 때때로 비기묘 쿼크 물질(non-strange quark matter)이라고 불린다.

 맥락 
입자물리학과 천체물리학에서 '기묘 물질'이라는 용어는 넓은 의미와 더 구체적이고 가설적인 의미의 두 가지 맥락으로 사용된다..

 넓은 의미에서, 현재 우리가 이해하고 있는 자연법칙은 핵물질(양성자와 중성자로 구성됨)이 임계 밀도 이상으로 압축될 때 기묘 물질이 생성될 수 있다고 예측한다. 이 임계 압력과 밀도에서 양성자와 중성자는 쿼크로 분리되어 쿼크 물질을 형성하며, 잠재적으로 기묘 물질이 될 수 있다.
 더 구체적인 가설은 쿼크 물질이 모든 물질의 진정한 바닥 상태이며, 따라서 일반적인 핵물질보다 더 안정적이라는 것이다. 이 아이디어는 "기묘 물질 가설" 또는 보드머-에드워드 위튼 가설로 알려져 있다. 이 가설에 따르면, 우리 주변에서 보는 원자핵은 외부 임계 압력이 0일 때도 단지 준안정 상태일 뿐이며, 충분한 시간(또는 적절한 자극)이 주어지면 원자핵은 기묘 물질의 안정한 방울로 붕괴할 것이다. 기묘 물질의 방울은 또한 기묘체라고도 불린다.

 고압에서만 안정한 기묘 물질 

일반적인 맥락에서 기묘 물질은 중성자별의 중심부 압력이 충분한 중력을 제공할 만큼 높을 때(즉, 임계 압력 이상일 때) 발생할 수 있다. 중성자별 중심에서 예상되는 밀도와 고압에서 쿼크 물질은 아마도 기묘 물질일 것이다. 만약 기묘 쿼크의 유효 질량이 너무 높다면 비기묘 쿼크 물질일 가능성도 생각할 수 있다. 맵시 쿼크와 더 무거운 쿼크들은 훨씬 더 높은 밀도에서만 나타날 것이다.

기묘 물질은 축퇴압을 완화하는 방법으로 나타난다. 파울리 배타 원리는 쿼크와 같은 페르미온이 동일한 위치와 에너지 준위를 차지하는 것을 금지한다. 입자 밀도가 너무 높아 가용 열에너지 미만의 모든 에너지 준위가 이미 점유되었을 때, 밀도를 더 높이려면 일부 입자를 점유되지 않은 더 높은 에너지 준위로 올려야 한다. 압축을 일으키기 위해 에너지가 필요한 이러한 현상은 압력으로 나타난다. 중성자는 위 쿼크(전하 + e)보다 아래 쿼크(전하 − e)를 두 배 더 많이 포함하고 있으므로, 전하적으로 중성인 쿼크 물질에서는 보통 아래 쿼크의 축퇴압이 지배적이다. 그러나 요구되는 에너지 준위가 충분히 높을 때 대안이 가능해진다. 아래 쿼크의 절반이 기묘 쿼크(전하 − e)로 변환될 수 있는 것이다. 기묘 쿼크의 더 높은 정지 질량 때문에 에너지가 소모되지만, 추가적인 에너지 준위 세트를 개방함으로써 입자당 평균 에너지는 더 낮아질 수 있으며, 이는 기묘 물질을 비기묘 쿼크 물질보다 더 안정하게 만든다.

쿼크 물질 핵을 가진 중성자별은 흔히 혼합성(hybrid star)이라고 불린다. 그러나 물리학자들이 현재 임계 압력이나 밀도의 예상치에 대해 거의 알지 못하기 때문에 자연계에 혼합성이 실제로 존재하는지 여부를 알기는 어렵다. 핵자 사이의 간격이 그 크기보다 훨씬 작아질 때 쿼크 물질로의 전이가 이미 일어날 것이라는 생각은 타당해 보이며, 따라서 임계 밀도는 핵 포화 밀도의 약 100배 미만이어야 한다. 하지만 쿼크의 거동을 지배하는 강한 상호작용은 수학적으로 다루기 어렵고, 격자 QCD를 이용한 수치 계산은 현재 페르미온 부호 문제로 인해 가로막혀 있어 더 정밀한 추정치는 아직 나와 있지 않다.

중성자별 물리학의 주요 활동 분야 중 하나는 중성자별의 핵에 쿼크 물질(아마도 기묘 물질)이 있는지 여부를 알 수 있는 관측 가능한 징후를 찾는 시도이다.

두 중성자별이 병합하는 동안 기묘 물질이 별 주변의 우주 공간으로 방출될 수 있으며, 이는 기묘 물질을 연구할 기회를 제공할 수 있다. 그러나 기묘 물질이 붕괴하는 속도는 알려져 있지 않으며, 태양계 근처에 중성자별 쌍성계가 매우 적기 때문에 기묘 물질의 공식적인 발견은 매우 어려울 수 있다.

 0의 압력에서 기묘 물질의 안정성 

만약 "기묘 물질 가설"이 사실이라면, 핵물질은 기묘 물질로 붕괴하는 것에 대해 준안정 상태이다. 자발적 붕괴의 수명은 매우 길어서 우리 주변에서 이러한 붕괴 과정이 일어나는 것을 보지 못한다. 그러나 이 가설에 따르면 우주에는 다음과 같은 기묘 물질이 존재해야 한다.
 쿼크별(종종 "기묘 별"이라고 함)은 중심핵부터 표면까지 쿼크 물질로 구성된다. 이들은 지름이 수 킬로미터에 달하며, 매우 얇은 핵물질 지각을 가질 수 있다.
 기묘체는 기묘 물질의 작은 조각으로, 아마도 원자핵만큼 작을 수도 있다. 이들은 기묘 별이 형성되거나 충돌할 때, 또는 원자핵이 붕괴할 때 생성될 것이다.

 같이 보기 
 별난 물질
 쿼크별
 기묘도와 쿼크-글루온 플라스마
 기묘체
 쿼크
 QCD 물질

 각주 

분류:물리학의 미해결 문제
분류:물질의 상
분류:별난 물질