Sammansmältningar av neutronstjärnor belyser kvarkmateriers värld

 

Neutronstjärnor består av resterna av gamla stjärnor som har fått slut på sitt kärnbränsle och genomgått en supernovaexplosion och en efterföljande gravitationskollaps. Även om kollisioner eller binära sammanslagningar av neutronstjärnor  är sällsynta kan dessa våldsamma händelser störa själva rumtiden och ge gravitationsvågor som kan upptäckas på jorden fast de skett hundratals miljoner ljusår bort.

Under en neutronstjärnkollision ändrar stjärnorna snabbt form och värms upp, något som orsakar förändringar i materiens tillstånd. Sammanslagningen kan även ge upphov till kvarkmateria, där elementarpartiklarna kvarkar och gluoner, vanligtvis inneslutna i protoner och neutroner, frigörs och börjar röra sig fritt. 

Professor Aleksi Vuorinen vid Helsingfors universitet förklarar hur vår förståelse för enskilda neutronstjärnors egenskaper har förbättrats avsevärt under de senaste åren. Men vi förstår fortfarande inte helt vad som händer vid den högsta densitet som uppnås eller i de dynamiska miljöer som uppstår vid kollisionerna.

– Att beskriva neutronstjärnkollisioner är utmanande för teoretiker eftersom alla konventionella teoretiska verktyg verkar bryta ihop på ett eller annat sätt i dessa tidsberoende och extrema system, beskriver Vuorinen.

Ett nyckelbegrepp i studiet av neutronstjärnkollisioner är bulkviskositeten innebärande att neutronstjärnmateria av partikelinteraktioner som motstår flödet i systemet. Forskare vid Helsingfors universitet har tillsammans med sina kollegor utomlands lyckats bestämma viskositeten hos tätpackad kvark genom att kombinera två olika teoretiska metoder. En av metoderna som användes baserades på strängteorin medan den andra bygger på störningsteorin som är en klassisk metod inom kvantfältteori.

I allmänhet beskriver man olik viskositet som hur "klibbigt" flöde av en given vätska är. Det mest kända exemplet är skjuvviskositet  vars effekter kan ses i flödet av ämnen som honung och vatten: honung flyter långsamt eftersom det har hög viskositet, medan vatten flyter snabbt på grund av dess lägre viskositet.

Bulkviskositet å andra sidan, beskriver energiförlust i ett system som genomgår radiella svängningar vilket innebär att dess densitet ökar och minskar  periodiskt. Det är  sådana svängningar som sker då neutronstjärnor sammanslås vilket gör bulkviskositet till den mest centrala transportkoefficienten i neutronstjärnkollisioner.

I en studie som nyligen publicerades i Physical Review Letters bestämdes viskositeten hos kvarkmateria på två sätt: med hjälp av den så kallade AdS/CFT-dualiteten, vanligen kallat holografi och störningsteorin.

Inom holografi bestäms egenskaperna i starkt kopplade kvantfältteorier genom att studera gravitationen i ett högre dimensionellt krökt rum. När det gäller kvarkmateria  att systemet  beskrivas vid de densiteter och temperaturer som uppkommer vid neutronstjärnkollisioner genom växelverkan inom kvantkromodynamik (QCD) som är teorin om den starka kärnkraften som i detta sammanhang är mycket stark. På grund av tekniska skäl kan metoden dock inte direkt beskriva QCD utan man undersöker snarare detta genom den  fenomenologiska metoden. 

Den andra metoden som används i  arbetet, störningsteorin, är kanske det mest använda verktyget inom teoretisk partikelfysikforskning. I detta tillvägagångssätt bestäms fysiska storheter som potensserier i kopplingskonstanter i en teori som beskriver styrkan i interaktionen. Denna metod kan beskriva QCD direkt men är bara tillämpbar vid densitet långt över de som finns i neutronstjärnor.

Till forskarnas glädje ledde de två metoderna till mycket likartade resultat vilket förstärkte teorin att viskositeten i kvarkmateria når sin topp vid betydligt lägre temperaturer än i kärnmateria.

– Resultaten kan bli till hjälp vid tolkningen av framtida observationer. Vi kan till exempel leta efter viskösa effekter i framtida gravitationsvågsdata och frånvaron av sådana vilket kan avslöja om kvarkmateria bildas vid neutronstjärnkollisioner beskriver universitetslektor Niko Jokela.

Forskningen genomfördes i ett internationellt samarbete med starkt finländskt deltagande i gruppen på nio författare i studien  där professor Aleksi Kurkela från Stavangers universitet gruppledare var Matti Järvinen från Asia Pacific Center for Theoretical Physics i Sydkorea och postdoktoral forskare Saga Säppi från Münchens tekniska universitet ingick.

Bild https://www.helsinki.fi/en/news Under en neutronstjärnkollision ändrar stjärnorna snabbt form och värms upp vilket orsakar förändringar i materiens tillstånd. Sammanslagningen kan också ge upphov till kvarkmateria där elementarpartiklarna kvarkar och gluoner, vanligtvis inneslutna i protoner och neutroner frigörs och börjar röra sig fritt.

Enligt forskningsresultat i kvarkmateria når bulkviskositetensin topp vid betydligt lägre temperaturer än i kärnmateria. (Bild: University of Warwick/Mark Garlick)

Ny partikel upptäckt

Projektet Large Hadron Collider Beauty (LHCb) har för första gången observerat en exotisk partikel bestående av fyra charmkvarkar. Upptäckten ger fysiker hjälp till att bättre förstå kvarkar. Kvarkar är en typ av elementarpartiklar som är grundläggande byggstenar av all materia.

Kvarkar bildas tillsammans och bildar kompositpartiklar vilka kallas hadroner vilka inkluderar protoner och neutroner. Denna upptäckte av en ny kvark kan hjälpa forskare att bättre förstå de komplexa sätt kvarkar binder sig samman. Partiklar bestående av ovanliga kombinationer av kvarkar är ett idealiskt "laboratorium" för att studera en av de fyra kända grundläggande naturkrafterna, den starka interaktion som binder samman protoner, neutroner och atomkärnor. Det som vi benämner materia. Detaljerad kunskap om denna starka interaktion är också avgörande för att avgöra om nya, oväntade processer är ett tecken på att vi behöver omvärdera den fysik vi ser som allenarådande eller bara är standardfysik.

"Partiklar som består av fyra kvarkar är exotiska och den som nu har upptäckts är den första som består av fyra tunga kvarkar av samma slag och här då två charmkvarkar och två charmantikvarkar", säger den avgående talesmannen för LHCb-samarbetet Giovanni Passaleva.

"Hittills hade LHCb och andra experiment bara observerat tetrakvarkar med två tunga kvarkar och ingen med mer än två kvarkar av samma typ."  Säger LHCb talesman, Chris Parkes från University of Manchester och tillägger  " Dagens upptäckt öppnar ett annat spännande kapitel av vetande i att studera teorin om materia-partiklar. Denna  nya partikel är ett extremt fall då den är en exotisk-hadron, som innehåller fyra kvarkar  än de två eller tre i konventionella materia-partiklar som tidigare är kända och är den första att innehålla tunga kvarkar. Att studera ett extremt system gör det möjligt för forskare att testa teorier. Genom att studera denna partikel är förhoppningen  att vi kommer att upptäcka ytterligare partiklar i denna klass i framtiden. Vi kommer att testa vår teori om hur kvarkar kombineras som o styr protoner och neutroner."

Kanske ovan (min anm.) är en för många ointressant kunskap och svår att ta till sig. Men allt är viktigt i fysiken för en bättre kunskap och nya tankar i den verklighet vi lever i men bara skrapat på ytan av för att förstå. Upptäckterna avlöser varandra och nya rön av överraskande slag kommer hela tiden. Finns det en minsta partikel? Låt oss filosofera över tillvaron. För min del anser jag det minsta vi kan finna är strängar vågsträngar tänk på strängteorin. Bortanför den finns enligt mig troligen även ett annat stadium,  tiden. Även denna kan delas upp men bortanför denna finns början, av allt, men vad början är, det är ett enda stort frågetecken.

Bild från flickr.com på partikelacceleratorn på CERN vilken upptäckten gjorts.

Ännu en ny teori om mörk energi har sett dagens ljus

International Journal of Modern physics har publicerat en artikel från IKBFU Physics and Mathematics Institute Artyom Astashenok and the Institute i Kaliningrad där en magisterskrivande student Alexander Teplyakov beskriver en ny teori om mörk energi.


Under lång tid trodde man att rymden var fylld med materia som byggt upp stjärnor, planeter, asteroider, kometer och gas. Men sedan dess har universums accelererande expansion bevisats strida mot tyngdlagen om det bara funnits materia. Tyngdlagen gör att ting dras mot varandra och att gravitationskraften tenderar att bromsa expansionen av universum. Men detta stämmer inte med verkligheten istället sker en ökande expansion av universum.


Därför föddes idén att universum är fyllt inte bara med vanlig materia utan även med "mörk energi", som har speciella egenskaper. Ingen vet vad det är och hur det fungerar, så det heter "Dark Energy" och 70 % av universum består av denna energi. Obs även mörk materia ska finnas enligt teorin (min anm.) men nämns inte här. Kanske (fortfarande min anm.) behövs ingen mörk materia för att förklara universums expansionsökning över tid utan enbart mörk energi.


Artyom Astashenok säger följande i rapporten vilket är en ny idé.


"Den så kallade Casimireffekten (uppkallad efter den holländska fysikern Hendrik Casimir) består i det faktum att två metallplattor placerade i vakuum dras till varandra något som varit känt länge.


 Det är svårt att förstå att så sker då inget i detta vakuum kan förklaras utifrån vanlig materia eller energislag vi kan förklara. Utifrån detta har teorin om mörk energi (okänt energislag) kommit och kanske även mörk materia.


Men enligt kvantteorin dyker partiklar ständigt upp och försvinner vilket ger en mycket liten attraktion (men tillräcklig i detta vakuum) mellan dessa plattor.  Och den nya idén är att detta sker på ungefär samma sätt i rymden. Detta accelererar utvidgningen av universum likt plattorna ovan som dras samman. 


Det behöver inte finnas en okänd form av energi enbart samma effekt som casimireffekten utifrån kvantteorin. Men det finns då en manifestation av universums gränser. Detta innebär naturligtvis inte att universum har ett slut utan att någon form av komplex topologi se beskrivning av begreppet topologi här. 


Du tänka dig en analogi från jorden. När något inte har några gränser men likväl är ändlig. Skillnaden mellan jorden och universum är att i det första fallet har vi att göra med två-dimensionell rymd, och i den andra med tredimensionell.


Svårt (min anm.) ja det tycker jag med. Men mörk energi och mörk materia skulle vara skönt att slippa tänka på och lämna över till feltänk och historien. Jag kan istället tänka mig effekten av det svårförstådda men likväl existerande kvantarna.


Bild  från vikipedia på Universums sammansättning enligt en analys av data från WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)  

Två, kanske tre, nya tidigare okända partiklar upptäckta i uppbyggnaden av den verklighet vi alla lever i.

Den stora Hadron Collider (LHC) är världens största och kraftigaste partikelacceleratoranläggning. Dess arbete består i att kollidera motsatt riktade protonstrålar med energi på upp till 7 biljoner elektronvolt per stråle innebärande totalt 14 biljoner elektronvolt. 


Detta kraftfulla instrument med en storlek av en 27 km ring  finns på Cern vid Geneve har nyligen upptäckt två nya partiklar.


Två Baryoner (grundläggande subatomära partiklar) som var och en består av tre kvarkar. Kvarkar är ännu mindre partiklar än baryoner som finns av olika slag: upp, ner, topp, botten, konstiga och charm. Dessa i sin tur bygger upp Hadronerna vilka i sig delas in i två undergrupper:  Baryoner som är uppbyggda av tre kvarkar och mesoner och de som består av en kvark och en anti-kvark.


Varje typ av baryon har en mix av kvarkar. Protoner är exempelvis baryoner och består av två upp kvarkar och en ner kvark per styck. 


De två nyupptäckt partiklarna klassificeras som botten baryoner. En kallas Σb(6097) + och består av en botten kvark och två upp kvarkar medan den andra har fått namnet Σb(6097)- och består av en botten kvark och två ned kvarkar.


En tredje partikeln kan även finnas upptäckte forskarna. Namnet på denna ej ännu bekräftade existens är  Z sub c-(4100). Det är en ännu mystik meson (som kan finnas, tecken på detta finns). Denna  partikel är i så fall en typ av instabil partikel som fladdrar förbi under en kort tid och existerar enbart vid högenergirika kollisioner. Den bör bestå av två kvarkar och två antikvarkar.



Nog upptäcks mer och fler små partiklar ännu. Frågan är om det finns en gräns för hur många som finns i uppbygganden av vårt universum? Kanske det är så att vi snart kan bekräfta att det minsta som kan finnas är enbart strängar (strängteorin). 
Skulle teorin vara sann då är det även sant att det finns betydligt fler dimensioner än de tre (höjd, bredd och djup) plus tid vi anser oss orientera oss inom idag.


En sak anser jag vi kan vara överens om. Att vad vi finner eller hur många partiklar eller vågor av okänt slag vi hittar är inget av detta något som är onödigt i uppbyggnaden av vårt universum. Inget kom till vid BigBang som inte har betydelse. Det fanns en anledning till allt som kom till då och allt behövs för att hålla ihop vår verklighet.
Bild; Acceleratorkedjan i Large Hadron Collider (LHC). Bild från Wikipedia.

Kan det finnas fler dimensioner än höjd, bredd och djup på mikronivå?

Har vårt universum mer än tre dimensioner. Bredd. Höjd och djup om vi nu inte även lägger till tid då blir det fyra? När det gäller strängteorin är detta inte nog. Här beskrivs mellan tio och tjugosex dimensioner. I strängteorin anses allt i universum inklusive vi själva bestå av strängar som minsta beståndsdelar, teorin är mycket intressant. 


Men nu handlar det om den verklighetsuppbyggnad vilken i första hand forskare och skolor lär ut. Det är i denna uppfattning av 3 kända dimensioner vi rör oss och det diskuteras om det inom denna kan finnas fler dimensioner. Svaret forskare kommit fram till är att om det finns fler dimensionen finns dessa på mycket liten nivå.
Mikronivå eller som jag tolkar det inom kvantmekaniken.


Inte på stora skalorna blev svaret vilket publicerades den  23 juli i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. I studien beskrivs att det över stora avstånd i universum är det sannolikt att enbart de dimensioner som vi upplever på jorden höjd. Bredd och djup fungerar (tid?).


Resultaten bidrar också till att bättre förstå den förbryllande karaktären av mörk energi fenomenet vilket troligen ligger bakom universums accelererande expansion.


 ”Allmänna relativitetsteorin säger att gravitation borde arbeta i tre dimensioner, och resultatet av studien visar att det också är vad vi ser”, säger Kris Pardo, huvudförfattare till studien och doktorand vid Princeton, New Jersey i USA. Men det finns däremot en sak teorin inte förklarar. Varför vårt universums expansion accelererar. 


Forskare anser att mörk energi ligger bakom händelsen med expansion och ökande av detta men ingen vet vad mörk energi är.


 Vissa teorier föreslår gravitationseffekt ligger bakom expansionen vilket skulle innebära att det i denna jätteskala av verkligheten finns något som accelererar gravitationskraften mot något eller av något. 


Många av dessa idéer förutsäger då att andra dimensioner existerar och dessa då ligger bakom det som accelererar gravitationskraften.


Det var ju upptäckten och mätningen en gravitationsvåg för första gången  vilken var effekten av en kollision mellan två neutronstjärnor som för första gången gjorde att vi kunde mäta en länge eftersökt effekt av gravitationsvåg.


Händelsen var nobelprisgrundande och fick namnet GW170817 en händelse vilken optiskt  även kunde ses med ett vanligt teleskop och gjorde att utöver den uppmätta gravitationsvågen även elektromagnetisk signal kunde mätas. 


Händelsen GW170817 kollisionen  var mycket, mycket lokal i kosmologiska termer men fysiker vill se fler händelser av detta slag längre bort (som då skulle ha inträffat längre tillbaka i tiden), eftersom de skulle avslöja om gravitation eller mörk energi har förändrats över tid.

Men det visar enbart att fler dimensioner kan finnas på mycket stor makronivå. Medan det på kvantmekaniknivån även kan finnas fler dimensioner kanske utifrån strängteorin alternativt förklarat  genom kvark och kvantteorin. 

Kvantmekaniken skiljer sig från den klassiska mekaniken på några avgörande punkter. Den viktigaste är att dess förutsägelser är statistiska enligt att man inte kan förutsäga vilket resultat en enskild mätning kommer att ge, utan enbart sannolikheterna för möjliga utfall. Vad man kan undra blir då enligt mig om det inte kan ses som att strängteorin flerdimensionella idé kan sammanfogas till en teori som omfattar både makro och mikrovärlden. 

Fler dimensioner inarbetade i den teori vi fortfarande arbetar efter skulle kanske enbart förvirra människan om fler dimensioner inblandas i denna. Jag tror vi ska mer undersöka strängteorin och se om denna likväl inte mer liknar sanningen vi kan förstå om vår verklighet som människor.



 Bild Signalen GW170817 uppmätt av LIGO:s och VIRGO:s gravitationsvågsdetektorer