Ny form for stof kan ligge lige uden for det periodiske system

I øjeblikket, det tungeste grundstof i det periodiske system er oganesson, som har en atommasse på 294 og blev officielt navngivet i 2016. Som alle grundstoffer i det periodiske system, Næsten hele oganessons masse kommer fra protoner og neutroner (typer af baryoner), der selv er lavet af tre kvarker hver. Et afgørende træk ved alt kendt baryonisk stof er, at dets kvarker er bundet så tæt sammen af ​​den stærke kraft, at de er uadskillelige. Da partikler lavet af bundne kvarker (såsom protoner og neutroner) kaldes hadroner, videnskabsmænd omtaler baryonisk stofs grundtilstand som "hadronisk stof".

Men oganesson er måske en af ​​de sidste af sin slags. I et nyt papir, videnskabsmænd forudsiger, at grundstoffer med en masse større end ca. men disse kvarker ville ikke blive bundet til trillinger. Forskerne forudsiger, at denne type stof, kaldet "op ned kvarkstof, " eller udQM, ville være stabil for ekstremt tunge grundstoffer, der kan eksistere lige efter slutningen af ​​det nuværende periodiske system. Hvis det kunne fremstilles på Jorden, kvarkstof har potentiale til at blive brugt som en ny energikilde.

Muligheden for, at tungt baryonisk stof har en udQM grundtilstand snarere end en hadronisk, er beskrevet i et papir offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve af University of Toronto fysikere Bob Holdom, Jing Ren, og Chen Zhang.

Ideen om, at en form for kvarkstof kan danne grundtilstanden for baryonisk stof, er ikke ny. I en berømt avis fra 1984, fysiker Edward Witten foreslog, at mærkeligt kvarkstof (SQM) kunne opfylde denne rolle. Imidlertid, SQM består af sammenlignelige mængder af op, ned, og mærkelige kvarker. Et af de nye resultater af den seneste undersøgelse er, at kvark stof uden mærkelige kvarker, dvs. udQM, har lavere bulkenergi pr. baryon end enten SQM eller hadronisk stof, gør det energetisk gunstigt.

"Fysikere har søgt efter SQM i årtier, " fortalte forskerne Phys.org . "Ud fra vores resultater, mange søgninger kan have ledt det forkerte sted. ... Det er et ganske grundlæggende spørgsmål at besvare:Hvad er den laveste energitilstand af et tilstrækkeligt stort antal kvarker? Vi hævder, at svaret ikke er nukleart stof eller mærkelig SQM, men snarere udQM, en tilstand sammensat af næsten masseløse op- og nedkvarker."

Ideen om, at kvarkstof kan ligge lige uden for det periodiske system er noget overraskende, fordi generelt, kvarkstof menes kun at eksistere i ekstreme miljøer, såsom kernerne af neutronstjerner, tunge ionkolliderer, hypotetiske kvarkstjerner, og inden for de første millisekunder af det tidlige univers. Når den produceres i en kollider, kvarkstof henfalder typisk inden for en brøkdel af et sekund til stabilt hadronisk stof (med bundne kvarker).

Fysikerne håber, at hvis minimumsmassen af ​​elementer med en udQM grundtilstand ikke er meget mere end 300, det kan være muligt at fremstille denne nye form for stabilt stof ved at sammensmelte nogle af de andre tunge grundstoffer. De forventer, at en af ​​udfordringerne bliver at levere nok neutroner i reaktionen, men at udQM kan være lettere at producere end SQM. En grund til deres optimisme er, at de nye resultater peger på eksistensen af ​​et "stabilitetskontinent" - et stort område, hvor udQM kan have den mest stabile konfiguration, som kan styre fremtidige produktionsforsøg.

Hvis det er vanskeligt at producere udQM, forskerne bemærker, at det også kan søges efter på Jorden, da det kan ankomme via kosmiske stråler og derefter blive fanget i normalt stof. I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge muligheden for at søge efter kvarkstof, både på jorden og fjernere steder.

"Vi vil gerne vide mere om mængden af ​​kvarkstof i universet, " sagde forskerne. "Vi ser således på konverteringsraten af ​​nukleart stof til udQM inde i neutronstjerner. Vi vil også gerne identificere de søgninger efter SQM, der er mest relevante for udQM. Det er derefter af interesse at overveje, hvordan disse søgninger kan forbedres og/eller udvides."

Hvis videnskabsmænd kunne producere eller finde kvarkstof af nogen art, en meget spændende potentiel anvendelse er energiproduktion.

"Hvis man bedre ved, hvor man skal lede efter udQM, kan det hjælpe med at opnå en gammel idé, det at bruge kvarkstof som en ny energikilde, " sagde forskerne. "Hvis kvarkstof findes (eller produceres i acceleratorer), det kan opbevares og derefter fodres med langsomme neutroner eller tunge ioner. Absorptionen af ​​disse partikler betyder en lavere total masse og dermed frigivelse af energi, mest i form af gammastråling. I modsætning til nuklear fusion, dette er en proces, der skal være let at igangsætte og kontrollere."

© 2018 Phys.org