ストレンジレット

ストレンジレット（発音：/ ˈ st r eɪ n dʒ . l ɪ t /）は、ほぼ同数のアップクォーク、ダウンクォーク、ストレンジクォークの束縛状態からなる仮想粒子である。同等の説明としては、ストレンジレットはストレンジ物質の小さな断片であり、粒子と見なせるほど小さい。ストレンジ物質で構成された物体のサイズは、理論的には、直径数フェムトメートル（軽い原子核の質量）から任意の大きさまでの範囲である。サイズが巨視的（直径数メートル）になると、そのような物体は通常、ストレンジ星と呼ばれる。「ストレンジレット」という用語は、 1984年にエドワード・ファーヒとロバート・ジャッフェによって考案された。ストレンジレットは、接触すると物質をストレンジ物質に変換できると理論化されている。^{[1]ストレンジレットは、}暗黒物質の候補としても示唆されている。^[2]

ストレンジクォークを含む既知の粒子は不安定です。ストレンジクォークはアップクォークやダウンクォークよりも重いため、弱い相互作用によってアップクォークに自発的に崩壊する可能性があります。その結果、ラムダ粒子などのストレンジクォークを含む粒子は、アップクォークとダウンクォークのみを含むより軽い粒子に崩壊することで、常にストレンジ性を失います。

しかし、クォークの数が多い凝縮状態では、この不安定性は起こらないかもしれない。崩壊に対するこの可能性のある安定性は、アーノルド・ボドマー^[3]とエドワード・ウィッテン^{[4]によって別々に提唱された「}ストレンジ物質仮説」である。この仮説によれば、十分な数のクォークが集中している場合、最低エネルギー状態は、アップ、ダウン、ストレンジクォークがほぼ同数である状態、つまりストレンジレットである。この安定性は、パウリの排他原理によって生じる。つまり、通常の核物質のように2種類ではなく3種類のクォークを持つと、より多くのクォークをより低いエネルギーレベルに配置できる。

原子核は、多数のアップクォークとダウンクォーク（一部の原子核ではかなり多数）の集まりで、三重項（中性子と陽子）に閉じ込められています。ストレンジ物質仮説によれば、ストレンジレットは原子核よりも安定しているため、原子核はストレンジレットに崩壊すると予想されます。しかし、このプロセスは、克服すべき大きなエネルギー障壁があるため、非常に遅くなる可能性があります。弱い相互作用によって原子核がストレンジレットになり始めると、最初の数個のストレンジクォークがラムダなどの重いストレンジ重粒子を形成します。多くの変換がほぼ同時に発生した場合にのみ、ストレンジクォークの数が、より低いエネルギー状態を達成するために必要な臨界比率に達します。これは起こりそうにないため、ストレンジ物質仮説が正しかったとしても、原子核の寿命は宇宙の年齢よりも長いため、ストレンジレットに崩壊することは決して見られません。^[5]

ストレンジレットの安定性はその大きさに依存します。

• クォーク物質と真空の界面における表面張力（これは大きなストレンジレットよりも小さなストレンジレットに影響する）。ストレンジ物質の表面張力は不明である。これが臨界値（フェムトメートルあたり数MeV ^[6]）より小さい場合、大きなストレンジレットは不安定になり、より小さなストレンジレットに分裂する傾向がある（ストレンジ星は依然として重力によって安定化される）。これが臨界値より大きい場合、ストレンジレットは大きくなるにつれてより安定する。
• 電荷の遮蔽^{[明確化が必要]}により、小さなストレンジレットは電子/陽電子の中和雲によって帯電するが、大きなストレンジレットは他の大きな物質と同様に、内部が電気的に中性であることが必要である。電荷遮蔽距離は数フェムトメートルのオーダーになる傾向があるため、ストレンジレットの外側の数フェムトメートルだけが電荷を運ぶことができる。^[7]

原子核はストレンジレットに崩壊しませんが、ストレンジレットを生成する方法は他にもあるため、ストレンジ物質仮説が正しければ、宇宙にはストレンジレットが存在するはずです。自然界でストレンジレットが生成される方法は少なくとも 3 つあります。

• 宇宙生成的に、つまりQCD閉じ込め相転移が起こった初期宇宙において、ストレンジレットは、通常の物質を形成する中性子と陽子とともに生成された可能性があります。
• 高エネルギー過程。宇宙は高エネルギー粒子（宇宙線）で満ちている。これらが互いに衝突したり中性子星と衝突したりすると、エネルギー障壁を乗り越えて核物質からストレンジレットを生成するのに十分なエネルギーを供給する可能性がある。「プライス事象」などの特定されたエキゾチックな宇宙線事象、すなわち電荷質量比が非常に低い事象（sクォーク自体はより一般的なdクォークと同等の電荷を持っているが、質量ははるかに大きい）では、すでにストレンジレットが記録されている可能性がある。^{[8] [9]}
• 宇宙線の影響。宇宙線の正面衝突に加え、超高エネルギー宇宙線が地球の大気圏に衝突することでストレンジレットが生成されることもあります。

これらのシナリオは、ストレンジレットを観測する可能性を示唆している。ストレンジレットが高エネルギー衝突で生成される場合、重イオン衝突型加速器によって生成される可能性がある。同様に、ストレンジレットが宇宙を飛び回っている場合、時折ストレンジレットが地球に衝突し、異質なタイプの宇宙線として現れる可能性がある。あるいは、安定したストレンジレットが地球の物質の大部分に組み込まれ、その電荷に比例した電子殻を獲得し、その結果、適切な元素の異常に重い同位体として現れる可能性がある。ただし、このような異常な「同位体」の探索は、これまでのところ成功していない。^[10]

相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）のような重イオン加速器では、原子核が相対論的な速度で衝突し、ストレンジクォークと反ストレンジクォークが生成され、ストレンジレットの生成につながる可能性がある。ストレンジレットの実験的特徴は、質量と電荷の比率が非常に高いことであり、これにより磁場内での軌道はほぼ直線になるが、完全に直線ではない。STARコラボレーションはRHICで生成されたストレンジレットを探索したが^[11]、何も見つからなかった。大型ハドロン衝突型加速器（LHC）がストレンジレットを生成する可能性はさらに低いが^[12] 、 LHC ALICE検出器の探索が計画されている^[13]。

国際宇宙ステーションに搭載されている機器であるアルファ磁気分光計（AMS）は、ストレンジレットを検出することができる可能性がある。^[14]

2002年5月、サザンメソジスト大学の研究者グループは、1993年10月22日と11月24日に記録された地震現象はストレンジレットによるものである可能性があると報告した。 ^[15]その後、研究者らは、地震観測所の1つの時計に該当期間に大きな誤差があったことが判明し、その主張を撤回した。^[16]

包括的核実験禁止条約(CTBT) の発効後にこれを検証するために設置される国際監視システムは、地球全体を検出器として利用する一種の「ストレンジレット観測所」として役立つかもしれないという提案がなされている。IMS は、 TNT 換算で 1 キロトン(4.2  TJ ) のエネルギー放出以下の異常な地震擾乱を検出するように設計され、適切に活用すれば、地球を通過するストレンジレットをリアルタイムで追跡できる可能性がある。

惑星質量以下のストレンジレット（重い隕石）が惑星や他の太陽系の天体を突き破り、特徴的な衝突クレーターを形成するのではないかと示唆されている。^[17]

もしストレンジ物質仮説が正しく、前述の臨界値よりも大きい表面張力を持つ安定した負に帯電したストレンジレットが存在するならば、より大きなストレンジレットはより小さなストレンジレットよりも安定していることになる。この考えから生まれた推測の一つは、ストレンジレットが通常の物質の塊と接触すると、時間の経過とともに通常の物質がストレンジ物質に変化する可能性があるというものである。^{[18] [19]}

これは宇宙線中のストレンジレットの場合問題にならない。なぜなら、ストレンジレットは地球から遠く離れた場所で生成され、ほとんどのモデルで正電荷を帯びると予測される基底状態に崩壊する時間があるため、原子核によって静電的に反発され、原子核と融合することはほとんどないからである。^{[20] [21]}一方、高エネルギー衝突では負電荷を帯びたストレンジレット状態が生成され、通常の物質の原子核と相互作用するのに十分な長さ存続する可能性がある。^[22]

重イオン衝突型加速器で生成されるストレンジレットによる触媒転換の危険性はメディアの注目を集めており^{[23] [24]}、この種の懸念は、潜在的にストレンジレットを生成する可能性があるブルックヘブンのRHIC実験の開始時に提起された^{[18] [25] 。詳細な分析[19]では、RHICの衝突は宇宙線が}太陽系を横切るときに自然に発生する衝突に匹敵すると結論付けられているため、可能であればそのような災害をすでに目にしていたはずだ。RHICは2000年以降、何事もなく稼働している。同様の懸念がCERNのLHCの稼働についても提起されている^[26]が、科学者はそのような恐れを非現実的なものとして退けている。^{[26] [27] [28]}

中性子星の場合、転換シナリオの方がより妥当かもしれない。中性子星は、ある意味では巨大な原子核（直径20km）であり、重力によってまとまっているが、電気的に中性であり、静電気的にストレンジレットをはじくことはない。ストレンジレットが中性子星に衝突すると、表面近くのクォークを触媒してよりストレンジな物質を形成し、星全体がストレンジ星になるまで続く可能性がある。^[29]

ストレンジ物質仮説は未だ証明されていない。宇宙線や粒子加速器におけるストレンジレットの直接的な探索では、ストレンジレットの存在はまだ確認されていない。中性子星などの天体のいずれかがストレンジ物質でできた表面を持つことが証明されれば、ストレンジ物質はゼロ圧力で安定していることが示され、ストレンジ物質仮説の正当性が証明される。しかし、中性子星にストレンジ物質表面があるという強力な証拠はない。

この仮説に対するもう一つの反論は、もしこの仮説が真実なら、基本的にすべての中性子星はストレンジ物質でできているはずであり、そうでなければ中性子星は存在しないはずであるというものである。^[30]たとえ最初はストレンジ星が少数しかなかったとしても、衝突などの激しい出来事により、すぐに多くのストレンジ物質の破片が宇宙を飛び回ることになる。単一のストレンジレットとの衝突により中性子星はストレンジ物質に変換されるため、ごく最近形成された中性子星のほとんどは、今ではすでにストレンジ物質に変換されているはずである。

この議論は未だ議論されているが^{[31] [32] [33] [34]}、もしそれが正しいとすれば、古い中性子星の一つが従来の核物質地殻を持っていることを示すことは、ストレンジマター仮説を反証することになるだろう。

ストレンジ物質仮説にとって重要であるため、中性子星の表面がストレンジ物質でできているか核物質でできているかを決定するための取り組みが進行中です。現在のところ、核物質でできているという証拠があります。これは、核物質地殻の観点からよく説明されるX線バーストの現象学と、マグネターにおける地震振動の測定から得られています。^{[36 ]}

• オデッセイ5のエピソードでは、粒子加速器で意図的に負に帯電したストレンジレットを作り出して惑星を破壊しようとする試みが描かれている。^[37]
• BBCの ドキュメンタリードラマ 「エンド・デイ」では、ニューヨーク市の粒子加速器が爆発し、ストレンジレットが発生し、地球を破壊する壊滅的な連鎖反応が始まるというシナリオが描かれている。
• ロバート・L・フォワードのコレクション『魔法と区別がつかない』に収録されている物語『最も奇妙な事柄』は、粒子加速器内でのストレンジレットの生成を扱っています。
• 2010年に出版され、ダグラス・プレストンによって書かれた『Impact』は、ストレンジレットを作り出すエイリアンの機械を扱っています。機械のストレンジレットは地球と月に衝突し、通り抜けます。
• 2011年に出版され、スティーブ・アルテンがドメイン三部作の3部作目として執筆した小説『フォボス』は、 LHCで意図せずストレンジレットが生成され、そこから逃げ出して地球を破壊するという架空の物語を描いています。
• ドナルド・E・ウェストレイクの1992年のブラックコメディ小説『ヒューマンズ』では、怒った神が天使を地球に送り、粒子加速器で生成されたストレンジレットを使って地球をクォーク星に変え、ハルマゲドンをもたらそうとする。
• 2010年の映画『クォンタム・アポカリプス』では、ストレンジレットが宇宙から地球に接近します。
• ハンヌ・ラヤニエミの小説『量子泥棒』や三部作の残りの作品では、ストレンジレットは主に武器として使われていますが、火星のテラフォーミングの初期プロジェクトでは、フォボスをもう一つの「太​​陽」に変える際にストレンジレットが使われました。

• 灰色のグー
• アイスナイン
• ハイペロン

• ホールデン、ジョシュア (1998 年 5 月 17 日)。「ストレンジレットの物語」。ラトガース大学。2010 年 1 月 7 日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年4 月 1 日閲覧。
• フリドリン・ウェーバー (2005)。「奇妙なクォーク物質とコンパクト星」。粒子・核物理学の進歩。54 (1): 193–288。arXiv : astro-ph/0407155。Bibcode : 2005PrPNP..54..193W。doi : 10.1016 / j.ppnp.2004.07.001。S2CID 15002134  。
• ジェス・マドセン (1999)。 「ストレンジクォーク物質の物理学と天体物理学」。高密度物質とハドロン合成におけるハドロン。物理学講義ノート。第 516 巻。pp. 162–203。arXiv : astro - ph/9809032。doi :10.1007/ BFb0107314。ISBN 978-3-540-65209-0. S2CID  16566509。

• 「宇宙で最も危険なもの - 奇妙な星々の説明」（ビデオ）。Kurzgesagt 。2019年4月14日。2021年12月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年4月15日閲覧 - YouTube経由。