En física teórica , Q-ball es un tipo de solitón no topológico . Un solitón es una configuración de campo localizado que es estable; no puede extenderse ni disiparse. En el caso de un solitón no topológico, la estabilidad está garantizada por una carga conservada: el solitón tiene menor energía por unidad de carga que cualquier otra configuración. (En física, la carga a menudo se representa con la letra "Q", y el solitón es esféricamente simétrico, de ahí el nombre).
Explicación intuitiva
Una bola Q surge en una teoría de partículas bosónicas , cuando hay una atracción entre las partículas. En términos generales, la Q-ball es una "mancha" de tamaño finito que contiene una gran cantidad de partículas. La mancha es estable contra la fisión en manchas más pequeñas y contra la "evaporación" a través de la emisión de partículas individuales, porque, debido a la interacción atractiva, la mancha es la configuración de energía más baja de ese número de partículas. (Esto es análogo al hecho de que el níquel-62 es el núcleo más estable porque es la configuración más estable de neutrones y protones. Sin embargo, el níquel-62 no es una bola Q, en parte porque los neutrones y protones son fermiones , no bosones.)
Para que haya una bola Q, el número de partículas debe conservarse (es decir, el número de partículas es una "carga" conservada, por lo que las partículas se describen mediante un campo de valores complejos ) y el potencial de interacción de las partículas debe tener un término negativo (atractivo). Para las partículas que no interactúan, el potencial sería solo un término de masa, y no habría Q-ball. Pero si uno agrega un atractivo término (y poderes superiores positivos de para asegurar que el potencial tenga un límite inferior), entonces hay valores de dónde , es decir, la energía de estos valores de campo es menor que la energía de un campo libre. Esto corresponde a decir que se pueden crear manchas de campo distinto de cero (es decir, grupos de muchas partículas) cuya energía es menor que el mismo número de partículas individuales muy separadas. Por tanto, esas gotas son estables frente a la evaporación en partículas individuales.
Construcción
En su forma más simple, una Q-ball se construye en una teoría de campo de un campo escalar complejo. , en el que lagrangiano es invariante bajo un global simetría. La solución Q-ball es un estado que minimiza la energía mientras mantiene la carga Q asociada con la globalconstante de simetría. Una forma particularmente transparente de encontrar esta solución es mediante el método de los multiplicadores de Lagrange . En particular, en tres dimensiones espaciales debemos minimizar la funcionalidad
donde la energía se define como
y es nuestro multiplicador de Lagrange. La dependencia del tiempo de la solución Q-ball se puede obtener fácilmente si se reescribe el funcional como
dónde . Dado que el primer término en el funcional es ahora positivo, la minimización de estos términos implica
Por tanto, interpretamos el multiplicador de Lagrange como la frecuencia de oscilación del campo dentro de la Q-ball.
La teoría contiene soluciones de Q-ball si hay valores de en el que el potencial es menor que . En este caso, un volumen de espacio con el campo en ese valor puede tener una energía por unidad de carga menor que, lo que significa que no puede descomponerse en un gas de partículas individuales. Tal región es una Q-ball. Si es lo suficientemente grande, su interior es uniforme y se llama "materia Q". (Para una revisión, véase Lee et al. (1992). [1]
Q-balls de pared delgada
La Q-ball de pared delgada fue la primera en ser estudiada, y este trabajo pionero fue realizado por Sidney Coleman en 1986. [2] Por esta razón, las Q-balls de la variedad de pared delgada a veces se denominan "Coleman Q- pelotas".
Podemos pensar en este tipo de Q-ball como una bola esférica con un valor de expectativa de vacío distinto de cero . En la aproximación de pared delgada, consideramos que el perfil espacial del campo es simplemente
En este régimen, la carga que lleva la Q-ball es simplemente . Usando este hecho podemos eliminar de la energía, de tal manera que tenemos
Minimización con respecto a da
Conectando esto de nuevo a los rendimientos energéticos
Ahora todo lo que queda es minimizar la energía con respecto a . Por lo tanto, podemos afirmar que existe una solución de bola Q del tipo de pared delgada si y solo si
por .
Cuando se satisface el criterio anterior, la bola Q existe y, por construcción, es estable frente a desintegraciones en cuantos escalares. La masa de la bola Q de pared delgada es simplemente la energía
Aunque este tipo de bola Q es estable frente a la descomposición en escalares, no es estable frente a la descomposición en fermiones si el campo escalar tiene acoplamientos Yukawa distintos de cero a algunos fermiones. Esta tasa de deterioro fue calculada en 1986 por Andrew Cohen, Sidney Coleman, Howard Georgi y Aneesh Manohar. [3]
Historia
Las configuraciones de un campo escalar cargado que son clásicamente estables (estables frente a pequeñas perturbaciones) fueron construidas por Rosen en 1968. [4] Las configuraciones estables de múltiples campos escalares fueron estudiadas por Friedberg, Lee y Sirlin en 1976. [5] El nombre " Q-ball "y la prueba de estabilidad de la mecánica cuántica (estabilidad frente a la formación de túneles en configuraciones de menor energía) provienen de Sidney Coleman . [2]
Ocurrencia en la naturaleza
Se ha teorizado que la materia oscura podría consistir en bolas Q (Frieman et al. 1988, [6] Kusenko et al . 1997 [7] ) y que las bolas Q podrían desempeñar un papel en la bariogénesis , es decir, el origen de la materia que llena el universo (Dodelson et al. 1990, [8] Enqvist et al . 1997 [9] ). El interés en las bolas Q fue estimulado por la sugerencia de que surgen genéricamente en las teorías de campo supersimétricas ( Kusenko 1997 [10] ), por lo que si la naturaleza realmente es fundamentalmente supersimétrica, las bolas Q podrían haber sido creadas en el universo temprano, y todavía existen en el cosmos hoy.
Ficción
- En la película Sunshine , el sol sufre una muerte prematura. El asesor científico de la película, el científico Brian Cox , propuso la "infección" con una bola Q como el mecanismo de esta muerte, pero esto se menciona solo en las pistas de comentarios y no en la película en sí.
- En el universo ficticio de Orion's Arm , las Q-balls son una de las fuentes especuladas de las grandes cantidades de antimateria utilizadas por ciertos grupos.
- En la serie de televisión Sliders , Q-Ball es el apodo dado por Rembrandt Brown (Crying Man) a Quinn Mallory.
Referencias
- ^ TD Lee; Y. Pang (1992). "Solitones no topológicos" . Informes de física . 221 (5–6): 251–350. Código Bibliográfico : 1992PhR ... 221..251L . doi : 10.1016 / 0370-1573 (92) 90064-7 .
- ^ a b S. Coleman (1985). "Q-Balls". Física B nuclear . 262 (2): 263–283. Código Bibliográfico : 1985NuPhB.262..263C . doi : 10.1016 / 0550-3213 (85) 90286-X . y errata en "Supergravedad de cuarto orden S. Theisen, Nucl. Phys. B263 (1986) 687" . Física B nuclear . 269 (3-4): 744. 1986. Código Bibliográfico : 1986NuPhB.269Q.744. . doi : 10.1016 / 0550-3213 (86) 90519-5 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0013-5DEB-5 .
- ^ A. Cohen; S. Coleman; H. Georgi; A. Manohar (1986). "La evaporación de Q-balls". Física B nuclear . 272 (2): 301. Código Bibliográfico : 1986NuPhB.272..301C . doi : 10.1016 / 0550-3213 (86) 90004-0 .
- ^ G. Rosen (1968). "Soluciones similares a partículas para teorías de campos escalares complejos no lineales con densidades de energía positivas-definidas". Revista de Física Matemática . 9 (7): 996–998. Código Bibliográfico : 1968JMP ..... 9..996R . doi : 10.1063 / 1.1664693 .
- ^ R. Friedberg; TD Lee; A. Sirlin (1976). "Clase de soluciones de solitones de campo escalar en tres dimensiones espaciales". Physical Review D . 13 (10): 2739. Código Bibliográfico : 1976PhRvD..13.2739F . doi : 10.1103 / PhysRevD.13.2739 .
- ^ J. Frieman; G. Gelmini; M. Gleiser; E. Kolb (1988). "Solitogénesis: origen primordial de los solitones no topológicos" . Cartas de revisión física . 60 (21): 2101–2104. Código Bibliográfico : 1988PhRvL..60.2101F . doi : 10.1103 / PhysRevLett.60.2101 . PMID 10038260 . Archivado desde el original el 12 de marzo de 2007 . Consultado el 15 de mayo de 2006 .
- ^ A. Kusenko; M. Shaposhnikov (1998). "Bolas Q supersimétricas como materia oscura". Physics Letters B . 418 (1–2): 46–54. arXiv : hep-ph / 9709492 . Bibcode : 1998PhLB..418 ... 46K . doi : 10.1016 / S0370-2693 (97) 01375-0 .
- ^ S. Dodelson; L. Widrow (1990). "Bariogénesis simétrica bariónica". Cartas de revisión física . 64 (4): 340–343. Código Bibliográfico : 1990PhRvL..64..340D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.64.340 . PMID 10041955 .
- ^ K. Enqvist; J. McDonald (1998). "Q-Balls y bariogénesis en el MSSM". Physics Letters B . 425 (3–4): 309–321. arXiv : hep-ph / 9711514 . Código Bibliográfico : 1998PhLB..425..309E . doi : 10.1016 / S0370-2693 (98) 00271-8 .
- ^ A. Kusenko (1997). "Solitones en las extensiones supersimétricas del Modelo Estándar". Physics Letters B . 405 (1–2): 108-113. arXiv : hep-ph / 9704273 . Código Bibliográfico : 1997PhLB..405..108K . doi : 10.1016 / S0370-2693 (97) 00584-4 .
enlaces externos
- Anarquistas cósmicos , de Hazel Muir. Un relato popular de la propuesta de Alexander Kusenko .