Τι είναι τα εκρηκτικά σολιτόνια Q-BALLS

Από το Περισκόπιο της Επιστήμης

Είναι σολιτόνια που οφείλουν τη σταθερότητά τους στη διατήρηση του συνολικού φορτίου ενώ το όνομα Q-Ball δόθηκε πριν 20 χρόνια περίπου από τον Sidney Coleman, φυσικό στο Πανεπιστήμιο του Harvard, για να εκφράσει ενεργειακές "σφαίρες" οι οποίες, όπως πιστεύουμε σήμερα, δημιουργήθηκαν στην απαρχή του σύμπαντος, ενώ το γράμμα Q χρησιμοποιήθηκε για να εκφράζει την ιδιότητα που καθιστά δυνατή τη σταθερότητα των Q-Balls επ΄ αόριστο.

Με τον όρο σολιτόνια, εννοούμε εντοπισμένες διαταραχές οι οποίες διαδίδονται μέσα σε ένα σύστημα αλληλοσυγκρουόμενες χωρίς να αλλάζουν σχήμα μετά τη σύγκρουση.

Όπως πιστεύουμε σήμερα σολιτόνια υπάρχουν ακόμα μέσα στο σύμπαν και αποτελούν ένα πολύ μεγάλο μέρος της σκοτεινής ύλης που διαχέεται ανάμεσα στους γαλαξίες. Η ύπαρξη σκοτεινής ύλης επιβεβαιώνεται από τη διαταραχή της τροχιάς των άστρων και των γαλαξιών λόγω της βαρύτητάς της.

Εισήχθηκαν προκειμένου να υποστηριχθεί η θεωρία της Υπερσυμμετρίας ή SUSY. Στόχος της εν λόγω θεωρίας είναι η ενοποίηση των δυνάμεων που επικρατούν στη φύση, της βαρυτικής, της ηλεκτρομαγνητικής, της ισχυρής πυρηνικής και της ασθενούς πυρηνικής σε μια και μοναδική δύναμη που πιστεύεται ότι υπήρξε πριν τη Μεγάλη ΄Έκρηξη.

Το 1997 ο Alexander Kusenko, θεωρητικός στο πανεπιστήμιο της California, και ο Mikhail Shaposhnikov, φυσικός στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο στοιχειωδών σωματιδίων, ανακάλυψαν ότι σε ένα μεγάλο πλήθος s-λεπτονίων και s-κουάρκ οι πιο πυκνές περιοχές συγχωνεύονται σχηματίζοντας Q-Balls όπως οι υδρατμοί στα σύννεφα.

Σε προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν στο πανεπιστήμιο του Τόκιο συγκέντρωσαν s-κουάρκ σε 2,6 εκατομμύρια σημεία ενός κυβικού πλέγματος και παρατήρησαν ότι αυτά σχημάτισαν περισσότερα από 30 Q-balls. Το εντυπωσιακό είναι ότι αυτά τα τρισεκατομμύρια σωματίδια μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση και συνυπάρχουν ομαλά σε ένα μικροσκοπικό σφαιρίδιο όχι πολύ μεγαλύτερο από έναν ατομικό πυρήνα, ενώ τα κουάρκ καταλαμβάνουν μόνα τους καθεμιά από τις τρεις κβαντικές καταστάσεις. Η πιο καταπληκτική τους όμως ιδιότητα είναι ότι, στο εσωτερικό τους παύουν να να έχουν ισχύ οι τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις που σχηματίζουν τον κόσμο μας!

Το κάθε Q-Ball φαίνεται να αποτελεί ένα καινούργιο σύμπαν, πολύ διαφορετικό από το δικό μας, που υπακούει στους δικούς του κανόνες, παραβιάζοντας τους φυσικούς νόμους του δικού μας κόσμου. Λόγω του μικροσκοπικού μεγέθους και της μεγάλης τους ταχύτητας, που φτάνει τα 100 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, τα Q-balls διαπερνούν το υλικό των πλανητών και των άστρων χωρίς να αφήσουν ίχνη πίσω τους. Ένα Q-ball διαπερνά τον ήλιο σε λιγότερα από τέσσερα λεπτά και έχει απώλεια της ταχύτητας της τάξης του 0,001% μόνο.

Επίσης ένα Q-ball είναι ικανό να προκαλέσει το θάνατο ενός άστρου νετρονίων! Αν βρεθεί στο εσωτερικό του το "κατατρώγει" από μέσα. Κι αυτό γιατί ανάμεσα σε τόσα νετρόνια, το Q-ball αλληλεπιδρά μαζί τους και επιβραδύνεται σημαντικά ώσπου να φθάσει στον πυρήνα του άστρου. Τα κουάρκ των νετρονίων μόλις βρεθούν δίπλα του διαπιστώνουν ότι οι δυνάμεις που τα συγκρατούσαν ενωμένα μέχρι αυτή τη στιγμή, ξαφνικά παύουν να υπάρχουν! ΄Έτσι συγκεντρώνονται γύρω του και στη συνέχεια αφομοιώνονται από αυτό καθώς μετατρέπονται σε s-κουάρκ.

Το Q-ball εκλύει την πλεονάζουσα ενέργεια με τη μορφή πιονίου, ζεύγους δηλαδή κουάρκ-αντικουάρκ. Μ΄ αυτόν τον τρόπο καταστρέφεται η μάζα του άστρου, από το εσωτερικό του, και όταν φτάσει στο ένα πέμπτο της μάζας του ΄Ήλιου η βαρυτικές του δυνάμεις δεν αρκούν και εκρήγνυται.

Όπως γνωρίζουμε όταν η super-symmetry σπάσει όχι αυθόρμητα, αλλά με τη δράση της βαρύτητας ως διαταραχή, σχηματίζονται διάφορες εξωτικές καταστάσεις πεδίων. Αυτές με κάποιους μηχανισμούς αποκτούν μάζα. Μια από αυτές συμπεριφέρεται σαν σολιτόνιο, δηλαδή σαν ένα μοναχικό κύμα-μια μοναχική κορυφή που ταξιδεύει στο χώρο- χωρίς να παθαίνει σημαντική απόσβεση για τεράστιες αποστάσεις. Αυτή την κατάσταση ονόμασαν Q-ball. Άλλες τέτοιες εξωτικές καταστάσεις είναι τα μονόπολα, οι κοσμικές χορδές κλπ. Όλες αυτές οι μορφές υποτίθεται ότι σχηματίστηκαν κατά τις αλλαγές φάσης του σύμπαντος. Μπορεί λοιπόν να σχηματίστηκαν ως μικροσκοπικά αντικείμενα κατά τις στιγμές μετά το Big Bang αλλά αν κατάφεραν να επιζήσουν μέχρι σήμερα θα έχουν γίνει γιγαντιαία. Ο ειδικός για τα θέματα αυτά είναι ο Τ. Multamaki και κανείς μπορεί να βρει τα πάντα για το θέμα αυτό και με graphics στην ιστοσελίδα του: http://users.utu.fi/tuomul/qballs/