Limit Massa Materi Gelap dari Neutron Stars dan Strange Quark Matter

Tinuku
KeSimpulan.com - Sebagian besar materi di alam semesta mungkin terbuat dari jenis materi gelap yang disebut weakly interacting massive particles (WIMPs).

Meskipun beberapa ilmuwan memprediksi bahwa partikel hipotetik ini memiliki banyak sifat yang diperlukan dalam mengukur materi gelap, sejauh ini para ilmuwan belum mampu membuat prediksi secara pasti massanya. Sekarang sebuah studi baru, para fisikawan teoritis membuat batas massa WIMP dengan menghitung bagaimana partikel materi gelap mentrasformasi bintang neutron menjadi bintang yang tersusun dari materi quark aneh atau "strange star".

M. Angeles Perez-Garcia, fisikawan dari University of Salamanca di Salamanca, Spanyol, bersama dengan Joseph Silk, fisikawan dari University of Oxford dan Jirina R. Stone, fisikawan dari University of Oxford dan University of Tennessee, melaporkan di Physical Review Letters. "Kami mengusulkan mekanisme tambahan untuk massa WIMP berdasarkan kemungkinan pemusnahan diri sebagai prosedur untuk menciptakan strangelets di kedalaman bintang neutron yang dapat memicu transisi ke bintang quark," kata Perez- Garcia.

"Massa WIMP adalah kuantitas penting untuk mengetahui sejak dideteksi sebagai konstituen materi gelap. Materi gelap membentuk sebagian besar materi alam semesta. Dengan mengetahui nilai ini, kita akan mampu menempatkan sepotong informasi fundamental pengetahuan kita saat ini tentang blok bangunan alam semesta dan setelah itu lihat, misalnya, bagaimana materi gelap berinteraksi dengan materi biasa dan bagaimana didistribusikan secara spasial," kata Perez- Garcia.

Sebagai partikel materi gelap, WIMPs sebagian besar terletak di lingkaran cahaya galaksi. Di dalam lingkaran cahaya galaksi (meskipun tidak terlihat) mengandung sebagian besar massa galaksi dalam bentuk WIMPs berat. Para ilmuwan berfokus pada apa yang terjadi ketika WIMPs di lingkaran cahaya galaksi ditangkap oleh bintang neutron yang terletak lebih dalam di galaksi.

Bintang neutron dikenal dengan kepadatan yang ekstrem di mana secara khas memiliki radius hanya 10 km, tetapi memiliki massa lebih berat dari Matahari. Teori memprediksi bahwa bintang neutron dan lubang hitam adalah akresi gravitasi materi gelap. Beberapa model bahkan membahas WIMPs terbentuk oleh bintang-bintang pertama di alam semesta yang dikenal sebagai dark stars yang didukung oleh pemusnahan materi gelap dan bukan fusi nuklir.

Dalam studi baru ini, para ilmuwan secara teoritis menunjukkan ketika gravitasi sebuah bintang neutron menangkap WIMPs di sekitarnya, WIMPs memicu konversi bintang neutron menjadi strange star. Konversi yang terjadi sebagai akibat dari penyemaian WIMPs pada bintang neutron dengan gumpalan umur panjang materi quark yang aneh atau strangelets.

Ketika WIMPs ditangkap di dalam inti bintang neutron, mereka memusnahkan diri, melepaskan energi untuk suatu proses. Energi yang dirilis secara tepat tergantung pada sifat-sifat WIMPs, seperti massa WIMPs. Pada tingkat energi tertentu sebagian energi akan diubah menjadi panas yang menyebabkan fluktuasi termal yang pada gilirannya dapat "membakar" nukleon bintang ke dalam gelembung quark yang akhirnya menjadi strangelets.

Beberapa kemusnahan strangelets terjadi dengan cepat dan tidak memiliki pengaruh pada bintang neutron. Tetapi jika strangelets memiliki tingkat baryon cukup tinggi, mereka dapat hidup sampai beberapa hari. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan dibutuhkan waktu sekitar 100 detik untuk mengkonversi bintang neutron menjadi strange star, sebuah proses yang bisa dipicu oleh strangelets yang berumur panjang.

Dengan mencari tahu jumlah minimum baryon dan tingkat efisiensi strangelet untuk memicu konversi bintang neutron menjadi strange star, para ilmuwan bisa menghitung massa WIMP awal sebagai peran dari jumlah baryon. Dalam hubungan ini, semakin besar WIMP akan semakin tinggi tingkat konversi dari bintang neutron menjadi strange star. Dari catatan para ilmuwan, perkiraan batas massa WIMP dapat diteliti dengan metode observasional dan eksperimental. Sebagai contoh, mengamati strange star dan pengukuran secara bersamaan massa dan radius dapat mengurangi lebih banyak kendala terkait sifat-sifat strangelets.

Saat ini ada dua misi NASA dalam persiapan yang bertujuan untuk mendapatkan informasi ini dengan meningkatkan presisi dari data yang ada. The Space Interferometry Mission (SIM Lite) yang masih dalam pengembangan diharapkan secara akurat dapat menghitung secara langsung jarak dan peta orbit binari X-ray. Sedangkan kolaborasi NASA, ESA (Eropa) dan JAXA (Jepang) dalam misi IXO (International X-ray Observatory) yang akan diluncurkan pada tahun 2021 akan menghitung radius dan massa beberapa bintang neutron dalam persen, memberikan informasi yang kuat pada komposisi mereka. Selain itu, eksperimen terestrial di Large Hadron Collider (LHC) dan Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) mungkin bisa mengidentifikasi pembentukan strangelets dan meneliti lebih lanjut sifat-sifatnya.

"Sejauh ini strangelets telah dicari dalam eksperimen seperti E864 dan E896 di Brookhaven National Laboratory (BNL) Amerika Serikat dan NA52 di CERN Eropa. Observasi mereka akan sulit karena kita belum tahu muatan listriknya atau umur mereka sebelum mereka membusuk menjadi materi lain," kata Perez-Garcia. Bukti pengamatan akan menjadi seperti titik besar sinyal seperti dalam nol derajat kalorimeter (karena ongkos besar benda tersebut melakukan perjalanan sebagian besar lurus bila terbentuk), ada beberapa simulasi komputasi tentang bagaimana seperti ini terlihat.

"Strange star belum diamati sejauh ini dan informasi yang sangat berguna akan dilakukan oleh misi satelit X-ray yang mengukur luminositas benda-benda (sebagian besar dalam sistem biner) untuk menyimpulkan massa dan jari-jari. Dengan cara ini, kita bisa memiliki informasi komposisi interior melalui pengukuran nilai kecil yang tidak biasa dalam radius bintang ini dengan massa sedikit lebih besar dari massa matahari," kata Perez-Garcia.

Perez-Garcia, Silk, dan Stone juga memprediksi bahwa proses konversi bintang neutron bisa menghasilkan ledakan sinar gamma. Di masa depan, para fisikawan berharap untuk meneliti apakah pemusnahan WIMP di dalam bintang neutron memiliki konsekuensi lain lain, seperti mengubah suhu dan pola rotasi.
  1. M. Angeles Perez-Garcia (Departamento de FĂ­sica Fundamental and IUFFyM, Universidad de Salamanca, Plaza de la Merced s/n 37008, Salamanca, Spain), Joseph Silk (Oxford Physics, University of Oxford, Keble Road OX1 3RH, Oxford, United Kingdom) and Jirina R. Stone (Department of Physics and Astronomy, University of Tennessee, Knoxville Tennessee 37996, USA). Dark Matter, Neutron Stars, and Strange Quark Matter, Physical Review Letters, 105, 141101 (2010), DOI:10.1103/PhysRevLett.105.141101
  2. The Space Interferometry Mission (SIM Lite) ~ http://sim.jpl.nasa.gov/index.cfm
  3. International X-ray Observatory(IXO) ~ http://constellation.gsfc.nasa.gov
  4. Large Hadron Collider (LHC) ~ http://lhc.web.cern.ch/lhc/
  5. Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ~ http://www.bnl.gov/rhic/
  6. Brookhaven National Laboratory (BNL) ~ http://www.bnl.gov/world/
  7. CERN ~ http://public.web.cern.ch/public/
Tinuku Store

No comments:

Post a Comment