Տարօրինակ նյութ

**Տարօրինակ նյութ**, հիպոթետիկ մասնիկ, որը բաղկացած է u, d և s քվարկների մոտավորապես հավասար թվերի կապված վիճակից: Համարժեք նկարագրությունն այն է, որ տարօրինակ նյութը տարօրինակ նյութի փոքր բեկոր է, բավական փոքր մասնիկ համարվելու համար: Տարօրինակ նյութից կազմված առարկայի չափերը տեսականորեն կարող են տատանվել մի քանի ֆեմտոմետրից (թեթև միջուկի զանգվածով) մինչև կամայականորեն մեծ: Այն բանից հետո, երբ չափը դառնում է մակրոսկոպիկ (մոտերի չափով), այդպիսի օբյեկտը սովորաբար կոչվում է տարօրինակ աստղ: «Strangelet» տերմինը ծագել է Էդվարդ Ֆարհիի և Ռոբերտ Ջաֆեի կողմից 1984 թվականին: Տեսություն է ստեղծվել, որ տարօրինակները կարող են նյութը վերածել տարօրինակ նյութի շփման ժամանակ: Տարօրինակ նյութը նույնպես առաջարկվել է որպես մութ նյութի թեկնածու:

## Տեսական հնարավորություն
### Տարօրինակ նյութի վարկած
Տարօրինակ քվարկներով հայտնի մասնիկները անկայուն են: Քանի որ տարօրինակ քվարկն ավելի ծանր է, քան վեր ու վար քվարկները, այն կարող է ինքնաբերաբար քայքայվել թույլ փոխազդեցության միջոցով դեպի վերև քվարկ: Հետևաբար, տարօրինակ քվարկներ պարունակող մասնիկները, ինչպիսին է լամբդայի մասնիկը, միշտ կորցնում են իրենց տարօրինակությունը՝ քայքայվելով ավելի թեթև մասնիկների, որոնք պարունակում են միայն վեր ու վար քվարկներ: Այնուամենայնիվ, ավելի մեծ թվով քվարկներով խտացված վիճակները կարող են չտուժել այս անկայունությունից: Քայքայման դեմ հնարավոր կայունությունը «տարօրինակ նյութի վարկածն» է, որն առանձին առաջարկվել է Առնոլդ Բոդմերի և Էդվարդ Վիտենի կողմից: Համաձայն այս վարկածի, երբ բավականաչափ մեծ թվով քվարկներ կենտրոնացված են միասին, ամենացածր էներգիայի վիճակն այն վիճակն է, որն ունի մոտավորապես հավասար թվով վեր, վար և տարօրինակ քվարկներ, մասնավորապես՝ տարօրինակ քվարկներ: Այս կայունությունը տեղի կունենա Պաուլիի բացառման սկզբունքի պատճառով: Երեք տեսակի քվարկներ ունենալը, այլ ոչ թե երկու, ինչպես սովորական միջուկային նյութում, թույլ է տալիս ավելի շատ քվարկներ տեղադրել ավելի ցածր էներգիայի մակարդակներում:

### Հարաբերություններ միջուկների հետ
Միջուկը մի շարք վեր ու վար քվարկների հավաքածու է (որոշ միջուկներում բավականին մեծ թիվ), որոնք սահմանափակված են եռյակներով (նեյտրոններ և պրոտոններ): Ըստ տարօրինակ նյութի վարկածի, տարօրինակներն ավելի կայուն են, քան միջուկները, ուստի ակնկալվում է, որ միջուկները կքայքայվեն տարօրինակների: Բայց այս գործընթացը կարող է չափազանց դանդաղ լինել, քանի որ կա մի մեծ էներգետիկ խոչընդոտ, որը պետք է հաղթահարվի: Քանի որ թույլ փոխազդեցությունը սկսում է միջուկը վերածել տարօրինակների, առաջին մի քանի տարօրինակ քվարկները ձևավորում են տարօրինակ բարիոններ, ինչպիսիք են Լամբդան, որոնք ծանր են: Միայն եթե բազմաթիվ փոխարկումներ տեղի ունենան գրեթե միաժամանակ, տարօրինակ քվարկների թիվը կհասնի այն կրիտիկական համամասնությանը, որն անհրաժեշտ է ավելի ցածր էներգիայի վիճակի հասնելու համար: Դա շատ քիչ հավանական է, որ տեղի ունենա, ուստի նույնիսկ եթե տարօրինակ նյութի վարկածը ճիշտ լիներ, միջուկները երբեք չեն երևա, որ քայքայվում են դեպի տարօրինակներ, քանի որ նրանց կյանքն ավելի երկար կլինի, քան տիեզերքի տարիքը:

### Չափը
Տարօրինակ նյութի կայունությունը կախված է դրանց չափերից, քանի որ
* մակերևութային լարվածությունը քվարկային նյութի և վակուումի միջերեսում (որն ավելի շատ ազդում է փոքր տարօրինակ նյոթի վրա, քան մեծերի վրա): Տարօրինակ նյութի մակերեսային լարվածությունը անհայտ է: Եթե այն կրիտիկական արժեքից փոքր է (մի քանի ՄէՎ մեկ քառակուսի ֆեմտոմետրի համար), ապա մեծ տարօրինակները անկայուն են և հակված են տրոհվելու ավելի փոքր տարօրինակների (տարօրինակ աստղերը դեռևս կկայունանան գրավիտացիայի միջոցով): Եթե այն ավելի մեծ է, քան կրիտիկական արժեքը, ապա տարօրինակները դառնում են ավելի կայուն, քանի որ դրանք մեծանում են:
* լիցքերի զննում, որը թույլ է տալիս լիցքավորել փոքր տարօրինակ մոլեկուլները՝ նրանց շուրջը էլեկտրոնների/պոզիտրոնների չեզոքացնող ամպով, սակայն պահանջում է, որ մեծ տարօրինակները, ինչպես ցանկացած նյութի մեծ կտոր, լինեն էլեկտրականորեն չեզոք իրենց ներսում: Լիցքավորման զննման հեռավորությունը հակված է մի քանի ֆեմտոմետրի կարգի, այնպես որ տարօրինակ լիցքի միայն արտաքին մի քանի ֆեմտոմետրերը կարող են լիցք կրել:

## Բնական կամ արհեստական երևույթ
Չնայած միջուկները չեն քայքայվում մինչև տարօրինակներ, կան տարօրինակներ ստեղծելու այլ եղանակներ, հետևաբար, եթե տարօրինակ նյութի վարկածը ճիշտ է, տիեզերքում պետք է լինեն տարօրինակներ: Բնության մեջ դրանք կարող են ստեղծվել առնվազն երեք եղանակով:
* Cosmogonically, այսինքն՝ վաղ տիեզերքում, երբ տեղի ունեցավ QCD-ի սահմանափակման փուլի անցումը: Հնարավոր է, որ տարօրինակները ստեղծվել են սովորական նյութ կազմող նեյտրոնների և պրոտոնների հետ միասին:
* Բարձր էներգիայի գործընթացներ. Տիեզերքը լի է շատ բարձր էներգիայի մասնիկներով (տիեզերական ճառագայթներ): Հնարավոր է, որ երբ դրանք բախվում են միմյանց կամ նեյտրոնային աստղերի հետ, նրանք կարող են բավականաչափ էներգիա ապահովել էներգետիկ արգելքը հաղթահարելու և միջուկային նյութից տարօրինակներ ստեղծելու համար: Որոշ հայտնաբերված էկզոտիկ տիեզերական ճառագայթների իրադարձություններ, ինչպիսիք են «Պրայսի իրադարձությունը», այսինքն՝ լիցքի-զանգվածի շատ ցածր հարաբերակցությամբ (քանի որ s-քվարկն ինքնին ունի ավելի ծանոթ d-քվարկին համարժեք լիցք, բայց շատ ավելի զանգվածային), կարող էին արդեն գրանցված տարօրինակներ:
* Տիեզերական ճառագայթների ազդեցությունը. Ի հավելումն տիեզերական ճառագայթների դեմ առ դեմ բախումների, Երկրի մթնոլորտի վրա ազդող գերբարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթները կարող են տարօրինակություններ ստեղծել:

Այս սցենարները հնարավորություն են տալիս դիտարկել տարօրինակները: Եթե արտառոցները կարող են առաջանալ բարձր էներգիայի բախումների ժամանակ, ապա դրանք կարող են արտադրվել ծանր իոնային բախումների միջոցով: Նմանապես, եթե տիեզերքի շուրջը թռչում են տարօրինակներ, ապա երբեմն տարօրինակները պետք է հարվածեն Երկրին, որտեղ այն կարող է հայտնվել որպես տիեզերական ճառագայթների էկզոտիկ տեսակ; այլապես, կայուն տարօրինակը կարող է ընդգրկվել Երկրի նյութի մեծ մասում՝ ձեռք բերելով իր լիցքին համաչափ էլեկտրոնային թաղանթ և, հետևաբար, հայտնվել որպես համապատասխան տարրի անոմալ ծանր իզոտոպ, թեև այդպիսի անոմալ «իզոտոպների» որոնումները, մինչ այժմ, անհաջող են եղել:

### Արագացուցիչի արտադրություն
Ծանր իոնային արագացուցիչներում, ինչպիսին է Ռելատիվիստական ծանր իոնային կոլայդերը (RHIC), միջուկները բախվում են հարաբերական արագությամբ՝ ստեղծելով տարօրինակ և հակատարօրինակ քվարկներ, որոնք կարող են հանգեցնել տարօրինակների արտադրության: Սթրենթլետի փորձնական նշանը կլինի նրա զանգվածի և լիցքի շատ բարձր հարաբերակցությունը, ինչը կհանգեցնի նրան, որ նրա հետագիծը մագնիսական դաշտում շատ մոտ, բայց ոչ այնքան ուղիղ կլինի: STAR-ի համագործակցությունը փնտրել է RHIC-ում արտադրված տարօրինակներ, բայց ոչ մեկը չի գտնվել: Մեծ հադրոնային կոլայդերը (LHC) նույնիսկ ավելի քիչ հավանական է, որ կստեղծի տարօրինակներ, սակայն որոնումներ են նախատեսվում LHC ALICE դետեկտորի համար:

### Հնարավոր սեյսմիկ հայտնաբերում
2002թ. մայիսին Հարավային մեթոդիստական համալսարանի մի խումբ հետազոտողներ զեկուցեցին, որ տարօրինակները կարող էին պատասխանատու լինել 1993թ. հոկտեմբերի 22-ին և նոյեմբերի 24-ին գրանցված սեյսմիկ իրադարձությունների համար: Առաջարկվել է ստեղծել Միջազգային մոնիտորինգի համակարգը՝ ուժի մեջ մտնելուց հետո Միջուկային փորձարկումների համապարփակ արգելքի համաձայնագրի (CTBT) ստուգման համար, որը կարող է օգտակար լինել որպես մի տեսակ «ստրանգել աստղադիտարան», որն օգտագործում է ամբողջ Երկիրը որպես իր դետեկտոր: IMS-ը նախագծված կլինի հայտնաբերելու անոմալ սեյսմիկ խանգարումները մինչև 1 կիլոտոն TNT (4,2 TJ) էներգիայի արտանետում կամ ավելի քիչ, և կարող է իրական ժամանակում հետևել Երկրի միջով անցնող տարօրինակներին, եթե դրանք պատշաճ կերպով շահագործվեն:

## Կոնտեքստ
Տարօրինակ նյութը տարօրինակ քվարկներ պարունակող քվարկային նյութ է: Ծայրահեղ միջավայրերում տարօրինակ նյութը ենթադրվում է, որ տեղի է ունենում նեյտրոնային աստղերի միջուկում, կամ, ավելի ենթադրաբար, որպես մեկուսացված կաթիլներ, որոնք կարող են տարբեր լինել ֆեմտոմետրերից (տարօրինակներ) մինչև կիլոմետրեր, ինչպես հիպոթետիկ տարօրինակ աստղերում: Բավականաչափ բարձր խտության դեպքում տարօրինակ նյութը ակնկալվում է, որ գունավոր գերհաղորդիչ կլինի:

Սովորական նյութը, որը նաև կոչվում է ատոմային նյութ, բաղկացած է ատոմներից, գրեթե ամբողջ նյութը կենտրոնացած է ատոմային միջուկներում: Միջուկային նյութը հեղուկ է, որը կազմված է նեյտրոններից և պրոտոններից, և նրանք իրենք կազմված են վեր ու վար քվարկներից: Քվարկային նյութը նյութի խտացված ձև է, որն ամբողջությամբ կազմված է քվարկներից: Երբ քվարկային նյութը չի պարունակում տարօրինակ քվարկներ, այն երբեմն կոչվում է ոչ տարօրինակ քվարկային նյութ:

Մասնիկների ֆիզիկայում և աստղաֆիզիկայում «տարօրինակ նյութ» տերմինն օգտագործվում է երկու տարբեր համատեքստերում, մեկը ավելի լայն, իսկ մյուսը ավելի կոնկրետ և հիպոթետիկ:
* Ավելի լայն համատեքստում, բնության օրենքների մեր ներկայիս ըմբռնումը կանխատեսում է, որ տարօրինակ նյութ կարող է ստեղծվել, երբ միջուկային նյութը (պատրաստված է պրոտոններից և նեյտրոններից) սեղմվում է կրիտիկական խտությունից դուրս: Այս կրիտիկական ճնշման և խտության դեպքում պրոտոններն ու նեյտրոնները տարանջատվում են քվարկների՝ առաջացնելով քվարկային նյութ և պոտենցիալ տարօրինակ նյութ:
* Ավելի կոնկրետ վարկածն այն է, որ քվարկային նյութը բոլոր նյութի իրական հիմքն է և, հետևաբար, ավելի կայուն, քան սովորական միջուկային նյութը: Այս գաղափարը հայտնի է որպես «տարօրինակ նյութի հիպոթեզ» կամ Բոդմեր - Վիտենի ենթադրություն: Այս վարկածի համաձայն, ատոմների միջուկները, որոնք մենք տեսնում ենք մեր շուրջը, միայն մետակայուն են, նույնիսկ երբ արտաքին կրիտիկական ճնշումը զրոյական է, և բավարար ժամանակի (կամ ճիշտ խթանման) դեպքում միջուկները կքայքայվեն տարօրինակ նյութի կայուն կաթիլների: Տարօրինակ նյութի կաթիլները կոչվում են նաև տարօրինակ կաթիլներ:

## Տարօրինակ նյութի կայունությունը միայն բարձր ճնշման դեպքում
Ընդհանուր համատեքստում տարօրինակ նյութ կարող է առաջանալ նեյտրոնային աստղերի ներսում, եթե նրանց միջուկում ճնշումը բավականաչափ բարձր է բավարար գրավիտացիոն ուժ ապահովելու համար (այսինքն՝ կրիտիկական ճնշումից բարձր): Այնպիսի խտության և բարձր ճնշման դեպքում, որը մենք ակնկալում ենք նեյտրոնային աստղի կենտրոնում, քվարկային նյութը հավանաբար տարօրինակ նյութ կլինի: Դա կարող է լինել ոչ տարօրինակ քվարկային նյութ, եթե տարօրինակ քվարկի արդյունավետ զանգվածը չափազանց բարձր լիներ: Հմայիչ քվարկները և ավելի ծանր քվարկները կարող են առաջանալ միայն շատ ավելի բարձր խտության դեպքում:
Տարօրինակ բանը առաջանում է որպես այլասերվածության ճնշումը թուլացնելու միջոց: Պաուլիի բացառման սկզբունքն արգելում է ֆերմիոններին, ինչպիսիք են քվարկները, զբաղեցնել նույն դիրքը և էներգիայի մակարդակը: Երբ մասնիկների խտությունը բավականաչափ բարձր է, որ առկա ջերմային էներգիայից ցածր էներգիայի բոլոր մակարդակներն արդեն զբաղված են, խտության հետագա աճը պահանջում է որոշ էներգիայի ավելի բարձր, չզբաղեցված մակարդակների բարձրացում: Այս էներգիայի անհրաժեշտությունը սեղմում առաջացնելու համար դրսևորվում է որպես ճնշում: Նեյտրոնները բաղկացած են երկու անգամ ավելի շատ d-քվարկներից (լիցք -1/3e) իսկ u-քվարկը (լիցք +⁠2/3e), ուստի ներքև քվարկների դեգեներատիվ ճնշումը սովորաբար գերակշռում է էլեկտրականորեն չեզոք քվարկային նյութի վրա: Այնուամենայնիվ, երբ պահանջվող էներգիայի մակարդակը բավականաչափ բարձր է, այլընտրանք է դառնում՝ ներքև քվարկների կեսը կարող է վերածվել տարօրինակ քվարկների (լիցք -1/3e): Տարօրինակ քվարկի ավելի մեծ հանգստի զանգվածն արժե որոշակի էներգիա, բայց էներգիայի մակարդակի լրացուցիչ հավաքածու բացելով՝ մեկ մասնիկի միջին էներգիան կարող է ավելի ցածր լինել, տարօրինակ նյութը դարձնելով ավելի կայուն, քան ոչ տարօրինակ քվարկային նյութը:
Քվարկային նյութի միջուկ ունեցող նեյտրոնային աստղը հաճախ կոչվում է հիբրիդային աստղ: Այնուամենայնիվ, դժվար է իմանալ, թե հիբրիդային աստղերը իսկապես գոյություն ունեն բնության մեջ, քանի որ ֆիզիկոսները ներկայումս քիչ պատկերացում ունեն կրիտիկական ճնշման կամ խտության հավանական արժեքի մասին: Թվում է, թե հավանական է, որ անցումը դեպի քվարկ նյութ արդեն տեղի կունենա, երբ նուկլոնների միջև տարանջատումը դառնա շատ ավելի փոքր, քան դրանց չափը, ուստի կրիտիկական խտությունը պետք է լինի մոտ 100 անգամ պակաս միջուկային հագեցվածության խտությունից: Սակայն ավելի ճշգրիտ գնահատական դեռ հասանելի չէ, քանի որ քվարկների վարքագիծը կարգավորող ուժեղ փոխազդեցությունը մաթեմատիկորեն դժվար է, և թվային հաշվարկները՝ օգտագործելով ցանցային QCD, ներկայումս արգելափակված են ֆերմիոնի նշանի խնդրի պատճառով:
Նեյտրոնային աստղերի ֆիզիկայի գործունեության հիմնական ուղղություններից մեկը դիտելի նշաններ գտնելու փորձն է, որով մենք կարող ենք պարզել, թե արդյոք նեյտրոնային աստղերն իրենց միջուկում քվարկային նյութ ունեն:
Երկու նեյտրոնային աստղերի միաձուլման ժամանակ տարօրինակ նյութը կարող է դուրս նետվել աստղերի շուրջ տարածություն, ինչը կարող է թույլ տալ ուսումնասիրել տարօրինակ նյութերը: Այնուամենայնիվ, տարօրինակ նյութի քայքայման արագությունը անհայտ է, և Արեգակնային համակարգի մոտակայքում կան նեյտրոնային աստղերի երկուական զույգեր, ինչը կարող է շատ դժվարացնել տարօրինակ նյութի պաշտոնական հայտնաբերումը:

## Պոտենցիալ տարածում
Եթե տարօրինակ նյութի վարկածը ճիշտ է, և եթե գոյություն ունի կայուն բացասաբար լիցքավորված տարօրինակ, վերոհիշյալ կրիտիկական արժեքից ավելի մեծ մակերևութային լարվածությամբ, ապա ավելի մեծ տարօրինակն ավելի կայուն կլինի, քան փոքրը: Մի ենթադրություն, որն առաջացել է գաղափարից այն է, որ տարօրինակ նյութը, որը շփվում է սովորական նյութի մի զանգվածի հետ, կարող է ժամանակի ընթացքում սովորական նյութը վերածել տարօրինակ նյութի:

Սա անհանգստություն չէ տիեզերական ճառագայթների տարօրինակներին, քանի որ դրանք արտադրվում են Երկրից հեռու և ժամանակ են ունեցել քայքայվելու իրենց հիմնական վիճակին, որը մոդելների մեծ մասի կողմից կանխատեսվում է դրական լիցքավորված լինելու համար, ուստի դրանք էլեկտրաստատիկ կերպով վանում են միջուկների կողմից և հազվադեպ են միաձուլվում նրանց հետ: Մյուս կողմից, բարձր էներգիայի բախումները կարող են առաջացնել բացասական լիցքավորված տարօրինակ վիճակներ, որոնք կարող են ապրել այնքան երկար, որպեսզի փոխազդեն սովորական նյութի միջուկների հետ:

## Ծանոթագրություններ

Կատեգորիա:Քվանտային ֆիզիկա
Կատեգորիա:Քվարկներ