Matèria fosca: Freeman Dyson ha resolt l’enigma amb un hadró de sis quarks?

Clic per engrandir. Els investigadors proposen un escenari per explicar la matèria fosca
basada no només en la física de les partícules conegudes, sinó a partir d’una partícula,
un hexaquark!. Crèdit Imatge: Illustris Project

Un exòtic hadró, format per sis quarks, ja havia estat considerat per Freeman Dyson al 1964. Després del seu probable descobriment fa uns anys, dos físics suggereixen que cúmuls d'aquests hadrons en forma de condensat de Bose-Einstein deixat pel Big Bang podrien donar informació sobre la matèria fosca. 

Probablement és la moda del moment sobre la matèria fosca i es basa en un document a priori força seriós des que va ser publicat a Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics i que per tant va ser examinat per alguns experts companys dels autors de l'article, dos físics que treballen a la Universitat de York al nord d'Anglaterra, Mikhail Bashkanov i Daniel Watts.

Tal com expliquen els dos investigadors a l’article disponible en accés gratuït a arXiv, proposen un escenari per explicar la matèria fosca basat no només en la física de partícules coneguda, sinó a partir d’una partícula que tenim de fet, fa uns anys i que es destaca en els laboratoris terrestres, un hadrò exòtic que conté sis quarks. 

La idea és, doncs, probablement més atractiva per als que no els agrada postular l’existència de noves partícules a partir d'una nova física, de les quals encara malauradament no veiem cap rastre en acceleradors o detectors a l’espai com el AMS o enterrats com a Xenon1T.

Interpretació artística d'un hexaquark del tipus dibarió. Hi ha dos quarks
constituents per cadascuna de les tres càrregues de color.

Aquest “hexaquark” va ser batejat com a d*(2380), però sobretot, el seu descobriment va confirmar una predicció teòrica feta el 1964 pel llegendari Freeman Dyson amb el seu col·lega Nguyen-Huu Xuong, pocs mesos després que George Zweig i Murray Gell-Mann publiquessin la seva teoria del quark. Malauradament Freeman Dyson acaba de morir i per tant hauria estat interessant saber què pensava de les idees que van presentar Mikhail Bashkanov i Daniel Watts. 

 

Bose-Einstein es condensa a partir d'un hadró exòtic

Recordem que els barions són partícules compostes per tres quarks, com el protó i el neutró, mentre que els mesons estan compostos per un quark i un antiquark. De fet, d*(2380) podria ser més aviat un dibarió, és a dir una mena d'estat lligat de dos barions ja que dos àtoms poden formar una molècula.

  Un vídeo (en francés) que explica el concepte de condensació de Bose-Einstein.
© Grup de recerca "La Physique Autrement" amb el suport de labex PALM

Recordem també que postulem l’existència de la matèria fosca perquè les estrelles dins les galàxies i les galàxies en cúmuls de galàxies tenen velocitats massa elevades que semblen trair, després de milers de milions d’anys, l’existència d'una distribució de massa superior a la de les estrelles o del gas i que sabem, per diverses raons, que aquesta distribució de masses que no irradia no pot estar formada per protons i neutrons, per tant, barions del Big Bang. Les partícules que constitueixen la matèria fosca han de ser especialment estables. Tot i això, d*(2380) és molt inestable, es desintegra molt ràpidament, cosa que a priori l’exclou com a candidat al títol de partícula de matèria fosca. 

Però sembla que Mikhail Bashkanov i Daniel Watts han trobat una sortida. Els seus càlculs suggereixen que quan un gran nombre de d*(2380) estan presents i formen una espècie de gas, poden unir-se per donar el que s’anomena condensat de Bose-Einstein. De fet, un estat quàntic col·lectiu d’un gas de partícules previst per Albert Einstein el 1925, basat en el treball de Satyendra Nath Bose, i que va ser posat en evidència el 1995 per Eric Cornell i Carl Wieman, un descobriment que els hi va valer el Premi Nobel de Física el 2001.

Un condensat de Bose-Einstein de d*(2380) seria prou estable segons ells per constituir una partícula de matèria fosca. Es mantindria fins a una mida de l'ordre d'un àtom, per tant un Ångström, i podria pesar fins a uns quants grams. És possible una àmplia gamma de mides i masses i d'una quantitat suficient d’aquestes gotes de condensat BE, formades per un gran nombre d’hexaquarks (d’uns quants milers a pocs milions), podria haver estat produida pel Big Bang donant informació de la quantitat de matèria fosca observada, sempre segons els càlculs dels investigadors. Serien vestigis de la transició de fase després d’haver passat el quagma (el plasma de quarks i gluons lliures) a gotes de líquid hadrònic, és a dir els protons i els neutrons després que l’Univers s'hagués suficientment refredat en el moment del Big Bang.

Trieu l'idioma dels subtítols a la configuració del vídeo. Una presentació del quagma. La
primera creació d’aquest plasma de quarks i gluons per part de la Humanitat va ser
anunciada el febrer del 2000 pels investigadors del CERN. L’estudi d’aquest plasma va
continuar després, especialment al Laboratori Nacional de Brookhaven als Estats Units,
en particular amb el RHIC, (Relativistis Heavy Ion Collider). Es produeix principalment
a l'accelerar en direccions oposades dos feixos de nuclis pesats, coure o or per fer-los xocar
frontalment. El mateix es pot fer al LHC amb nuclis de plom. Així, es van realitzar experiments
similars sobre el quagma amb el detector ALICE.  © Fermilab

Excepte que hi hagi captura, aquests condensats haurien de ser molt, molt fortament carregats positivament, per tant, irradien copiosament llum quan són accelerats en els raigs còsmics, per exemple. Per tant, un condensat de d*(2380) NO és matèria fosca ... tret que s’envolti d'altres partícules carregades negativament (antiprotons, electrons?) Per formar un estat lligat i neutre com un àtom.

Una variació sobre el tema de "quark nuggets"

Això és el que postulen Mikhail Bashkanov i Daniel Watts, però òbviament fa que la seva hipòtesi sigui més complicada i, per tant, menys creïble. Tanmateix, formant l’anàleg d’un àtom amb electrons molt fortament lligat a un nucli molt pesat i molt carregat positivament, podria tenir línies d’emissions exòtiques detectables, cosa que faria que la matèria fosca no fos completament fosca i obriria una possible finestra d’observació per provar l’escenari dels dos físics.

De fet, ens trobem davant d’una variant de les teories plantejades des del començament dels anys vuitanta per explicar l’existència de la matèria fosca a partir de cúmuls de quarks, en particular a les obres del 1984 d’Edward Witten, el gran teòric de les supercordes i guanyador de la medalla Fields en matemàtiques, que va conduir al que s’anomenen quark nuggets o estranyets. En aquest cas, eren grups de moltíssims quarks formats per un terç de quarks u, un altre de quarks d i finalment un darrer terç de quarks estranyets, que tornaria a ser estable però carregats positivament i, per tant, haurien d’envoltar-se, per exemple, d’electrons per ser neutres. Witten també creia que es podrien haver creat grans quantitats d’estranys al principi de la història de l’Univers observable, quan es va refredar prou perquè el quagma es condensés en hadrons.

Hem buscat aquests estranyets en experiments d’acceleradors, sense èxit fins ara. Es podien observar en forma de nuclis molt pesats amb una càrrega elèctrica dèbil en els productes de les col·lisions. Podem pensar que és possible una troballa similar amb els condensats de d*(2380), suposant que existeixen ...

Ho he vist aquí.