Un equipo de investigadores cree que existen elementos ultrapesados que no 'funcionan' como la materia normal.
En la actualidad, el elemento más pesado de la Tabla Periódica es el Oganesón. Nombrado oficialmente en 2016, posee una masa atómica de 294, la mayor conocida hasta el momento. Y como sucede con el resto de los elementos de la tabla, prácticamente toda la masa del Oganesón procede de los protones y neutrones de sus núcleos atómicos, que a su vez están constituidos cada uno por tres quarks. Todas las partículas formadas por tres quarks (como los citados protones y neutrones) reciben el nombre genérico de "bariones".
Una característica crucial de toda la materia bariónica conocida es que los tres quarks que forman cada partícula están inseparablemente unidos por la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza. Y como resulta que todas las partículas hechas de quarks unidos por la interacción fuerte (como protones y neutrones) se llaman hadrones, los científicos se refieren al estado fundamental de la materia bariónica como "materia hadrónica".
En los últimos años, la Tabla periódica se ha ido enriqueciendo con un buen número de nuevos elementos. Pero absolutamente todos ellos comparten las mismas características descritas. Es decir, son materia hadrónica. Sin embargo, un equipo de físicos de la Universidad de Toronto, en Canadá, cree que el Oganesón podría ser el último elemento de ese tipo que se descubra. Y predicen la existencia de "otros" elementos mucho más pesados que el Oganesón, con masas atómicas superiores a 300.
Pero lo más increíble es que esos elementos "ultrapesados" no estarían hechos, como los demás, de partículas formadas por tres quarks unidos por la interacción fuerte, sino de quarks "arriba" y "abajo" (dos de los seis tipos de quarks conocidos) individuales y libres de esa fuerza natural. En otras palabras, no serían materia hadrónica, como lo son el resto de los elementos conocidos.
Según explican Bob Holdom, Jing Ren y Chen Zhang en un estudio recién publicado en Physical Review Letters, esa extraña clase de materia de quarks (llamada udQM, up an down Quark Matter, o "Materia de Quarks arriba y abajo"), sería estable para los elementos extremadamente pesados que podrían existir justo después del final de la Tabla Periódica actual. Si además fuéramos capaces de producir esa materia en los laboratorios de la Tierra, podríamos utilizarla como una nueva y poderosa fuente de energía.
La idea de que algún tipo de materia de quarks pudiera ser el estado fundamental de la materia bariónica no es nueva, y fue propuesta, ya en 1984, por el físico Edward Witten, que sugirió la existencia de la SQM (Strange Quark Matter, o "Materia de Quarks Extraña").
Sin embargo, Witten postulaba que esa materia extraña consistía en una mezcla más o menos equilibrada de tres clases de quarks (arriba, abajo y extraños), mientras que el nuevo trabajo se eliminan los quarks extraños y se dejan solo los arriba y abajo. La diferencia es enorme, ya que cada partícula de esta "nueva fórmula" tendría una menor cantidad de energía que la SQM o la materia hadrónica, por lo que sería energéticamente favorable.
"Los físicos han estado buscando la Materia Extraña (SQM) durante décadas -explican los científicos-. Pero nuestros resultados indican que muchos investigadores podrían haber estado buscando en el lugar equivocado... La pregunta básica es la siguiente: ¿Cuál es el estado de energía más bajo posible para un número suficientemente grande de quarks? Argumentamos que la respuesta no es la materia nuclear, ni la extraña SQM, sino más bien nuestra udQM, un estado compuesto por quarks arriba y abajo casi sin masa".
UNA IDEA INQUIETANTE
La idea de que esta materia hecha de quarks pudiera estar esperándonos "al otro lado" de la Tabla Periódica resulta inquietante ya que, hasta ahora, se pensaba que esta clase de materia solo podría existir en ambientes muy extremos, como en los núcleos de las estrellas de neutrones, en el interior de hipotéticas "estrellas de quarks", en los poderosos colisionadores de iones pesados o en los primeros milisegundos de la historia del Universo, durante el Big Bang. Es decir, en situaciones en las que la presión de la gravedad es tan enorme que los protones y los neutrones se disocian en los quarks que los componen, que no consiguen mantenerse unidos.
Además, cuando se ha producido en laboratorio, la materia de quarks tarda apenas una fracción de segundo en decaer y convertirse en materia hadrónica estable y convencional (la que está hecha de tríos de quarks estrechamente unidos por la interacción fuerte).
A pesar de todo, los físicos esperan que, si la masa atómica de los nuevos elementos ultrapesados y hechos de quarks libres no resulta ser mucho mayor de 300, sería posible producir esta forma totalmente nueva de materia estable fusionándola con algunos de los demás elementos pesados de la tabla.
Y en el caso de que producir en labotatorio udQM resultara demasiado difícil, Holdom, Ren y Zhang proponen buscarla aquí, en la Tierra, ya que esa extraña clase de materia puede llegar hasta nosotros a caballo de los rayos cósmicos y quedar después atrapada en el interior de la materia normal. En el futuro, los tres científicos planean emprender la búsqueda de materia de quarks, tanto en nuestro planeta como fuera de él.
Pero antes, afirman, "nos gustaría saber más sobre la cantidad de materia de quarks que podría haber en el Universo. Por eso, en la actualidad estamos tratando de averiguar cuál es la tasa de conversión de la materia convencional a udQM dentro de las estrellas de neutrones".
Si realmente consiguieran encontrar, o producir en laboratorio, materia de quarks de cualquier tipo, nos encontraríamos, además, ante una nueva e inesperada fuente de energía.
"Saber dónde buscar udQM podría ayudar a hacer realidad una vieja idea, la de utilizar la materia de quarks como una nueva fuente de energía -afirman los investigadores-. Si se encuentra materia de quarks (o se produce en aceleradores), podría almacenarse para alimentarla después 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 radiación gamma. A diferencia de la fusión nuclear, este es un proceso que debería ser fácil de iniciar y controlar".
Referencia bibliográfica:
Bob Holdom et al., 2018. Quark Matter May Not Be Strange. Phys. Rev. Lett.. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.222001
