Materia Exótica

La materia exótica incluye dos tipos diferentes según su definición:

A.) Materia exótica en física teórica (energía negativa / masa negativa) 

B.) Materia exótica en física atómica y de partículas (átomos o estados inusuales)

 

Definición general:

El término materia exótica no tiene un único significado, sino que se usa en dos contextos principales:

A. Materia exótica teórica (relatividad / cosmología)

Materia que viola condiciones de energía en relatividad general, y que permite geometrías del espacio-tiempo como:

• agujeros de gusano atravesables,
• motores de curvatura tipo Alcubierre,
• geometrías con masa negativa.

Es materia hipotética, nunca observada.

B. Materia exótica atómica/subatómica

Átomos o sistemas de partículas formados por componentes no usuales, por ejemplo:

• electrones reemplazados por muones,
• protones reemplazados por bariones extraños,
• núcleos con hiperones,
• átomos con piones, kaones, etc.

Esta sí ha sido observada y creada en laboratorios.

 

Materia Exótica Teórica o Relativista tipo A:

Materias exóticas teóricas que violan condiciones de energía

En relatividad general existen las llamadas “condiciones de energía” que deben cumplir los fluidos normales (densidad positiva, presión positiva o moderada). La materia exótica en este sentido las viola, por ejemplo:

• densidad de energía negativa,
• presión negativa extrema,
• masa gravitacional efectiva negativa.

Masa negativa

Concepto hipotético donde:

• la masa inercial es negativa
• la masa gravitacional es negativa

Propiedades extrañas:

• Se acelera en dirección opuesta a una fuerza.
• Repulsión gravitacional entre masas positivas.
• Atrae otras masas negativas.
• Podría estabilizar agujeros de gusano
• No ha sido observada.

Energía negativa (energía cuántica del vacío)

En física cuántica, en situaciones específicas (efecto Casimir), aparece:

• regiones con energía menor al vacío → energía negativa local

Aunque real, no puede acumularse en cantidades macroscópicas.

Materia exótica para agujeros de gusano

Para mantener un agujero de gusano abierto, la relatividad general requiere:

• presión radial negativa
• densidad de energía negativa

Es decir, materia exótica tipo espaciotemporal, no atómica.

Materia exótica en motores de curvatura

El métrico de Alcubierre requiere:

• densidad de energía negativa
• materia con propiedades no físicas tradicionales

Es totalmente especulativo.

 

Materia Exótica Real tipo B:

Materia exótica real (átomos y sistemas con partículas inusuales)

Este es el tipo de materia exótica que sí existe y se ha creado en laboratorios. Incluye sistemas atómicos donde una partícula usual (como el electrón) se reemplaza por otra partícula cargada inusual.

Átomos muónicos

Son átomos en los que:

un muón (μ⁻) reemplaza a un electrón.

Como el muón es ~207 veces más masivo que el electrón:

• orbita muy cerca del núcleo,
• permite probar QED con gran precisión,
• se usa para estudiar el radio del protón.

Ejemplo: muonic hydrogen (hidrógeno muónico).

Átomos piónicos

Sistemas donde un:

• pión negativo (π⁻) reemplaza a un electrón.

Tienen vida muy corta, pero permiten estudiar la interacción fuerte a baja energía.

Ejemplo: hidrógeno piónico.

Átomos kaónicos

Átomos donde:

• kaones (K⁻) orbitan un núcleo.

Se usan para estudiar:

• la interacción fuerte en materia densa,
• la posible transición a materia de quarks.

Átomos exóticos con positrones (positronio)

El positronio es un “átomo” formado por:

• un electrón
• un positrón

Es un sistema interesante porque es totalmente leptónico.

Hiperátomos / Hipernúcleos

Son núcleos donde un nucleón es reemplazado por un:

• hiperón (Λ, Σ, Ξ) partículas que contienen quarks extraños (s).

Esto crea materia extraña a escala nuclear y es fundamental para entender las estrellas de neutrones. 

Exóticos de quarks múltiples

Incluye:

• tetraquarks
• pentaquarks
• hexaquarks
• moléculas de mesones
• diquarks enlazados

Son hadrones exóticos que no encajan en el modelo simple quark–antiquark o quark–quark–quark.

Materia exótica extraña: strange matter (Desarrollada anteriormente en el Blog como Materia Extraña)

Mencionada antes, la materia extraña (strange matter) es un tipo de materia exótica compuesto por quarks:

• up (u)
• down (d)
• strange (s)

Es importante en estrellas compactas.

Materia exótica antimateria (Desarrollada anteriormente en el Blog como Antimateria)

Átomos donde:

• protones → antiprotones
• electrones → positrones

Ejemplo: anti-hidrogeno.

 

Comparación entre los dos tipos de Materia Exótica General (Materia Exótica Teórica/Relativista & Materia Exótica Real)

En resumen, la materia exótica puede referirse a:

A) Materia Exótica Teórica o Relativista

• masa negativa, energía negativa, violación de condiciones de energía.
• necesaria para agujeros de gusano y métricas superlumínicas.
• completamente hipotética.

B) Materia Exótica Real

• átomos con muones, piones, kaones, positronio, anti-hidrogeno.
• núcleos con hiperones (materia extraña).
• hadrones exóticos (tetraquarks, pentaquarks).
• esta sí se observa en laboratorios.

Ambos usos del término son legítimos, pero se refieren a fenómenos distintos.