Una nueva forma de materia se vislumbra más allá de la tabla periódica

Científicos predicen que los elementos con masas atómicas superiores a aproximadamente 300 abre la posibilidad de una nueva forma de materia, la materia quark, más allá de la tabla periódica.

Estos elementos predichos, más allá del oganesón el elemento más pesado en la tabla periódica es oganesson, que tiene una masa atómica de 294 y fue nombrado oficialmente en 2016 pueden estar compuestos de quarks que fluyen libremente hacia arriba y hacia abajo, del mismo tipo de los que están hechos los protones y los neutrones, pero estos quarks no estarían ligados de tres en tres.

Los científicos predicen que este tipo de materia, llamada "materia de quark superior", o udQM, sería estable para elementos extremadamente pesados que podrían existir justo después del final de la tabla periódica actual. Si se pudiera producir en la Tierra, la materia de quark tiene el potencial de ser utilizada como una nueva fuente de energía.

Como las partículas hechas de quarks unidos como protones y neutrones se llaman hadrones, los científicos se refieren al estado fundamental de la materia bariónica como "materia hadrónica".

La posibilidad de que la materia bariónica pesada tenga un estado fundamental udQM en lugar de hadrónico se describe en un artículo publicado en Physical Review Letters por los físicos de la Universidad de Toronto Bob Holdom, Jing Ren y Chen Zhang.

La idea de que algún tipo de materia quark pueda formar el estado base de la materia bariónica no es nueva. En un famoso artículo de 1984, el físico Edward Witten sugirió que la materia extraña del quark (SQM) podría cumplir esta función. Sin embargo, SQM consiste en cantidades comparables de quarks arriba, abajo y extraños. Uno de los nuevos resultados del último estudio es que la materia de quarks sin quarks extraños, es decir, udQM, tiene una menor energía a granel por barión que SQM o la materia hadrónica, por lo que es energéticamente favorable.

"Los físicos han estado buscando SQM durante décadas", dijeron los investigadores a Phys.org. "De nuestros resultados, muchas búsquedas pueden haber estado buscando en el lugar equivocado. Es una pregunta bastante básica para responder: ¿Cuál es el estado energético más bajo de un número suficientemente grande de quarks? Argumentamos que la respuesta no es nuclear materia o extraño SQM, sino más bien udQM, un estado compuesto por quarks casi sin masa arriba y abajo”.

La idea de que la materia quark puede estar justo más allá de la tabla periódica es algo sorprendente porque, en general, se cree que la materia quark solo existe en ambientes extremos, como los núcleos de estrellas de neutrones, colisionantes de iones pesados, hipotéticas estrellas de quarks y dentro del primeros milisegundos del universo temprano. Cuando se produce en un colisionador, la materia del quark típicamente se descompone en una fracción de segundo en una materia hadrónica estable con quarks unidos.

Los físicos esperan que, si la masa mínima de elementos con un estado fundamental udQM no es mucho mayor que 300, puede ser posible producir esta nueva forma de materia estable fusionando algunos de los otros elementos pesados. Esperan que uno de los desafíos sea suministrar suficientes neutrones en la reacción, pero que udQM puede ser más fácil de producir que SQM. Una razón de su optimismo es que los nuevos resultados apuntan a la existencia de un "continente de estabilidad", una gran región en la que udQM puede tener la configuración más estable, lo que puede orientar los intentos futuros de producción.

Si la producción de udQM presenta dificultades, los investigadores observan que también se puede buscar en la Tierra, ya que puede llegar a través de los rayos cósmicos y quedar atrapada en la materia normal. En el futuro, los investigadores planean explorar la posibilidad de buscar materia de quarks, tanto en la Tierra como en lugares más distantes.

"Nos gustaría saber más sobre la abundancia de materia de quarks en el universo", dijeron los investigadores. "Estamos buscando la tasa de conversión de materia nuclear a udQM dentro de las estrellas de neutrones. También nos gustaría identificar las búsquedas de SQM que son más relevantes para udQM. Es entonces de interés considerar cómo esas búsquedas podrían mejorar y / o extendido. "

Nueva fuente de energía

Si los científicos pueden producir o encontrar materia de quarks de cualquier tipo, una aplicación potencial muy intrigante es la generación de energía.

"Conocer mejor dónde buscar udQM podría ayudar a lograr una vieja idea, la de utilizar la materia del quark como una nueva fuente de energía", dijeron los investigadores. "Si se encuentra materia de quark (o se produce en aceleradores), puede almacenarse y luego alimentarse con neutrones lentos o iones pesados. La absorción de estas partículas significa una masa total inferior y, por lo tanto, una liberación de energía, principalmente en forma de gamma radiación. A diferencia de la fusión nuclear, este es un proceso que debería ser fácil de iniciar y controlar”.