Πολύχρωμες αρχέγονες μαύρες τρύπες

Τα κουάρκ θεωρούνται ότι είναι στοιχειώδη σωματίδια με την ίδια έννοια όπως τα λεπτόνια, είναι δηλαδή σχεδόν σημειακά σωμάτια χωρίς εωτερική δομή. Σε αντίθεση όμως με τα λεπτόνια – όπως και σε οτιδήποτε άλλο στη φύση – υποτίθεται ότι έχουν κλασματικό ηλεκτρικό φορτίο. Ένα σοβαρό πρόβλημα που είχε προκύψει με τα κουάρκ ήταν το ότι ως φερμιόνια με σπιν 1/2 έπρεπε υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli. Όμως σύνθετα σωματίδια που αποτελούνταν από δυο ή τρία κουαρκ του ίδιου είδους, όπως π.χ. το πρωτόνια ή το υπερόνιο Ω^–, φαίνονταν ότι παραβίαζαν την απαγορευτική αρχή. Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, έγινε η πρόταση ότι τα κουάρκ και τα αντι-κουάρκ έχουν μία επιπλέον ιδιότητα που μπορεί να εμφανίζεται με δυο διαφορετικούς τρόπους οι οποίοι ονομάζονται συμβατικά θετικό και αρνητικό. Στην περίπτωση των κουάρκ, αυτή η ιδιότητα έγινε γνωστή σαν «χρώμα», και οι τρεις δυνατότητες ονομάζονται κόκκινο, πράσινο και μπλε. Τα χρώματα των αντι-κουάρκ είναι τα αντι-κόκκινο, αντι-πράσινο και αντι-μπλε.
Σύμφωνα με την υπόθεση του χρώματος, και τα τρία κουάρκ ενός βαρυονίου έχουν διαφορετικά χρώματα, υπακούοντας στην απαγορευτική αρχή του Pauli, αφού έχουν διαφορετικούς κβαντικούς αριθμούς. Ένας τέτοιος συνδυασμός μπορεί να θεωρηθεί λευκός σε αναλογία με τον τρόπο που το κόκκινο, πράσινο και μπλε φως συνδυάζονται για να αποτελέσουν λευκό φως – χωρίς να υπάρχει προφανώς σχέση μεταξύ των χρωμάτων των κουάρκ και των πραγματικών χρωμάτων.
Ένα μεσόνιο υποτίθεται ότι αποτελείται από ένα κουάρκ ενός χρώματος και ενός αντι-κουάρκ του αντίστοιχου αντι-χρώματος με αποτέλεσμα την αναίρεση του χρώματος.
Το αποτέλεσμα είναι τόσο τα βαρυόνια όσο και τα μεσόνια να μην έχουν χρώμα: το χρώμα των κουάρκ είναι ιδιότητα που έχει νόημα μεταξύ των αδρονίων χωρίς να είναι ποτέ άμεσα παρατηρήσιμο στον έξω κόσμο. Φορτίο χρώματος φέρουν και τα γλοιόνια, οι φορείς της ισχυρής αλληλεπίδρασης.

Τι σχέση έχει το χρώμα των κουάρκ με τις αρχέγονες μαύρες τρύπες;

Μερικές υπερελαφριές μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη μεγάλη έκρηξη, σύμφωνα με πρόσφατη δημοσίευση των Elba Alonso-Monsalve και David Kaiser, ίσως ήταν εξωτικά αντικείμενα με καθαρό «χρωματικό φορτίο» που θα μπορούσε να έχει αφήσει παρατηρήσιμες υπογραφές.

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες (Primordial black holes-PBHs) είναι υποθετικά αντικείμενα που σχηματίστηκαν από τη βαρυτική κατάρρευση πυκνών περιοχών στο πρώιμο σύμπαν. Πολλοί φυσικοί θεωρούν ότι θα μπορούσαν να αποτελούν συστατικό της σκοτεινής ύλης. Αλλά για να αποτελούν οι PBHs το σύνολο της σκοτεινής ύλης, θα πρέπει να είναι εξαιρετικά ελαφριές, πιθανώς να έχουν μάζες μικρότερες από σχετικά μικρούς αστεροειδείς. Οι φυσικοί Elba Alonso-Monsalve και David Kaiser δείχνουν ότι αυτές οι μικροσκοπικές αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να διαθέτουν μια εξωτική ιδιότητα – ένα καθαρό χρωματικό φορτίο (τέτοιου είδους φορτία χαρακτηρίζουν τα κουάρκ και τα γλοιόνια στην κβαντική χρωμοδυναμική θεωρία). Επιπλέον, υποστηρίζουν ότι τέτοιες χρωματικά φορτισμένες αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν αφήσει ίχνη που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν.

Οι παρατηρήσεις αποκλείουν ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες αστρικής μάζας θα μπορούσαν να εξηγήσουν πλήρως τη σκοτεινή ύλη, αλλά αυτές που ζυγίζουν μεταξύ 10¹⁷ και 10²² g εξακολουθούν να είναι υποψήφιοι. Δεδομένου ότι η μάζα μιας αρχέγονης μαύρης τρύπας θα πρέπει να σχετίζεται με την ηλικία της, αυτό το εύρος μάζας αντιστοιχεί στον σχηματισμό μαύρων τρυπών αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το Σύμπαν ήταν ακόμα ένα καυτό πλάσμα κουάρκ και γλοιονίων. Οι περισσότερες αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είχαν σχηματιστεί απορροφώντας τεράστιους αριθμούς κουάρκ και γλοιονίων με μια κατανομή χρωματικών φορτίων. Αυτές οι μαύρες τρύπες θα ήταν ουδέτερες ως προς το χρώμα και θα ήταν αρκετά ογκώδεις για να επιβιώσουν μέχρι σήμερα. Ωστόσο, οι υπολογισμοί δείχνουν ότι μερικές αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί από περιοχές τόσο μικροσκοπικές που τα φορτία των απορροφημένων γλοιονίων συσχετίζονται, δίνοντας σ’ αυτές ένα καθαρό χρωματικό φορτίο.

Οι έγχρωμες μαύρες τρύπες θεωρούνταν μαθηματικά πιθανές, αλλά η νέα μελέτη είναι η πρώτη που προτείνει έναν ρεαλιστικό μηχανισμό σχηματισμού τους. Τα μικρά τους μεγέθη σημαίνουν ότι από τότε μέχρι σήμερα θα είχαν εξατμιστεί. Όμως, η παρουσία τους στο πρώιμο σύμπαν μπορεί να είχε διαταράξει την κατανομή θερμικής ισορροπίας των πρωτονίων και των νετρονίων, η οποία παίζει θεμελιώδη ρόλο στην πυρηνοσύνθεση στα πρώτα λεπτά μετά την Μεγάλης Έκρηξης, αφήνοντας διακριτικά ίχνη στην κοσμική αφθονία των στοιχείων.

Διαβάστε περισσότερα:
1. Colorful Primordial Black Holes – https://physics.aps.org/articles/v17/s69
2. Primordial Black Holes with QCD Color Charge – https://arxiv.org/abs/2310.16877

ΠΗΓΗ: physicsgg.me