Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks.

Quark-materie kan mogelijk extreem zware atomen vormen

Volgens de standaard modellen is het ‘eiland van stabiliteit’ voorlopig uitgeput met de ontwikkeling van zwaardere atoomkernen, na de productie van oganesson. Maar mogelijk klopt dat niet, en is er niet een eiland, maar zelfs een heel continent van stabiele atoomkernen. Alleen bestaat deze niet uit protonen en neutronen, maar uit quark-materie, een soort quarksoep van up- en downquarks. Kan dit kloppen?

Energetisch gezien is de meest gunstige combinatie van protonen en neutronen, een ijzer- of nikkelkern. Hoe meer atoomkernen qua aantallen protonen en neutronen afwijken van ijzer of nikkel, hoe meer potentiële energie er vrij kan komen bij kernreacties. Om die reden is de zwaarste stabiele atoomkern (voor zover we weten) lood. Alle atoomkernen zwaarder dan lood vallen na verloop van tijd uit elkaar. De allerzwaarste atoomkernen die we kennen, zoals die van het vermoedelijke edelgas oganesson (atoomnummer 118), leven korter dan een seconde. Maar is dit het gehele verhaal?

Quarks

Er bestaan zes soorten quarks (plus bijbehorende antiquarks), waarvan de lichtste twee, de up- en downquarks, stabiel zijn. Quarks kunnen niet als losse deeltjes bestaan: het uit elkaar trekken van quarks kost zoveel energie dat hieruit spontaan quark-antiquarkparen (mesonen) ontstaan. Quarks vormen in drietallen protonen en neutronen. Twee upquarks plus een downquark vormen een proton, twee downquarks plus een upquark vormen een neutron. In atoomkernen vormen deze clusters van quarks stabiele deeltjes: de protonen en neutronen. Maar wat gebeurt er als de hoeveelheid kerndeeltjes maar blijft toenemen?

Quarksoep als atoomkern

Volgens een nieuwe theorie gaan protonen en neutronen dan degenereren. De ontstane atoomkern bevat geen onderscheiden kerndeeltjes meer, maar  vormt een quarksoep waarin quarks random door elkaar bewegen en voortdurend gluonen uitwisselen. De wis- en natuurkundige Edward Witten voorspelde in 1984 dat er een “strange quark matter” quarksoep zou bestaan die een opmerkelijk laag energieniveau (lees: stabiliteit) zou bezitten. Hierin zouden dan niet alleen up- en downquarks, maar ook strange quarks voorkomen. Ondanks verwoede pogingen van natuurkundigen is dit SQM tot nog toe nooit aangetroffen.
In het artikel van Holdom, Ren en Zhang [1] veronderstellen de auteurs dat er ook een quarksoep bestaat die alleen uit up- en downquarks bestaat. Deze quarksoep, up down quark matter of udQM zou zelfs energetisch gunstiger zijn dan SQM.

Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks.
Quark-materie bestaat niet meer uit protonen, elektronen en/of neutronen, maar uit een zee van quarks. Bron: Chinese Academie van Wetenschappen, Quark Research Center

Waar zou deze quark-materie kunnen worden aangetroffen?

De kosmos is een tumultueuze plek. Als twee neutronensterren op elkaar crashen, komen er grote hoeveelheden fragmenten vrij. Zo is de aardse goudvoorraad op deze wijze geheel afkomstig van neutronensterren[0]. Ook zwaardere deeltjes dan goudatomen kunnen op deze manier worden gevormd – denk aan uranium.

Men zou verwachten dat er dan ook grote hoeveelheden udQM ontstaan. Als udQM een continent van stabiliteit vormt, moet er nog steeds veel udQM zijn. Tot nu toe is het zwaarste (relatief) stabiele atoom dat in de natuur is aangetroffen het metaal bismuth, met atoomnummer 83. Het bewijs voor zwaardere stabiele elementen dan bismuth is, zachtjes uitgedrukt, niet overweldigend. Als udQM werkelijk bestaat, moet het massaal vrijkomen tijdens deze botsingen. Dus moet het ook in kosmische straling voorkomen – en in normale materie.

Quark-materie in massaspectrograaf?

Een voor de hand liggende methode om dit uit te zoeken is bijvoorbeeld een ijzermeteoriet in plasma te veranderen en het hete plasma door een massaspectrograaf te jagen. Hoe zwakker de lading ten opzichte van de massa van de atoomkern, hoe minder de atoomkern wordt afgebogen. Worden er atoomkernen aangetroffen met een massa van groter dan 300 protonmassa’s, dan hebben we beet. Dit zou uitermate goed nieuws zijn. We kunnen dan door fusie werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden energie opwekken door bijvoorbeeld protonen of kleine atoomkernen te laten absorberen door de quarksoep. Ook kunnen we nieuwe, nu nog onbekende materialen ontwikkelen. Wie weet zelfs femtotechniek, nu nog pure science fiction, mogelijk maken. Tot zover de theorie. Zonder hard observationeel bewijs blijf ik sceptisch. Het is onaannemelijk dat een dergelijke substantie meer dan honderd jaar lang onopgemerkt is gebleven, al zijn verrassingen niet uit te sluiten.

Bestaan

Ren en Zhang hebben ondertussen niet stilgezeten. Ze vonden een nieuw mogelijk domein voor udSM: namelijk het binnenste van zware neutronensterren. In hun model is er een fase-overgang ergens tussen de massa van tussen echte neutronensterren, met een massa lager dan 1,4 zonsmassa’s, en quarksterren, met een massa groter dan 2 zonsmassa’s. [2] De eerste groep bestaat dan uit neutronen, de tweede groep uit up-down quarkmaterie. Uiteraard ligt het ver voorbij onze mogelijkheden nu om het binnenste van neutronensteren waar te nemen, maar we kunnen aan het gedrag van neutronensterren wel het een en ander afleiden. Zo blijken de straal en rotatiesnelheid in neutronensterren soms 20% af te kunnen wijken. Quarkmaterie is een stuk  dichter dan neutronium. De ineenstorting van neutronensterren tot quarksterren zou ze flink laat krimpen. En dus sneller laten rondtollen, vanwege het behoud van draai-moment.

Giant glitches door vorming quark-materie?

Deze faseovergang tussen neutronium en udQM zou de “giant glitches”kunnen verklaren, waarbij neutronensterren plotseling tot bijna 2% sneller gaan draaien. [2] De huidige verklaring, waarbij het iets minder dichte oppervlak van neutronensterren een rol speelt, deugt niet, zoals al door meerdere auteurs vastgesteld [3]. Een fase-overgang, waarbij de neutronenster veel kleiner wordt, geeft dan weer wel een goede verklaring voor de versnelling.

Dit zou inderdaad de kans op het vinden van extreem zware atoomkernen veel groter maken. Want bij dezelfde botsing die goud produceert, zou dan ook quarkmaterie worden gevormd. Gesteld, uiteraard, dat deze materie stabiel blijft buiten een neutronenster. Dat laatste is nog de vraag.

Bronnen:
0. Neutron star mergers may create much of the universe’s gold, Science Magazine, 2018
1. Bob Holdom, Jing Ren en Chen Zhang. “Quark Matter May Not Be Strange.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.222001
2. Jing Ren and Chen Zhang, Quantum nucleation of up-down quark matter and astrophysical implications, Phys. Rev. D 102, 083003, 2020, DOI: 10.1103/PhysRevD.102.083003
3. T Delsate et al., Giant Pulsar Glitches and the Inertia of Neutron-Star Crusts, Phys.Rev.D 94 (2016) 2, 023008. DOI: 10.1103/PhysRevD.94.023008

 

2 reacties op “Quark-materie kan mogelijk extreem zware atomen vormen”

Laat een reactie achter