zobrazeny gluony a spin kvarků. Jaderná síla se chová jako pružina se zanedbatelnou silou, když není natažená, ale s velkými, přitažlivými silami, když je natažená na velké vzdálenosti. Brookhavenská národní laboratoř
Příběh naší vesmírné historie je příběhem rozpínajícího se a chladnoucího vesmíru. Jak jsme postupovali od horkého, hustého a jednolitého stavu k chladnému, řídkému a shlukovitému, došlo v průběhu naší vesmírné historie k řadě významných událostí. V okamžiku horkého velkého třesku byl vesmír naplněn nejrůznějšími částicemi, antičásticemi a kvanty záření s ultravysokou energií, které se pohybovaly rychlostí světla nebo rychlostí blízkou světlu.
Na druhé straně máme dnes vesmír plný hvězd, galaxií, plynu, prachu a mnoha dalších jevů, které mají příliš nízkou energii na to, aby mohly existovat v raném vesmíru. Jakmile se vše ochladilo natolik, že Higgsův boson dodal vesmíru hmotnost, mohli byste si myslet, že okamžitě vzniknou protony a neutrony. Ale ty nemohly existovat hned. Zde je příběh o tom, jak vznikly.
volné, nevázané, kvark-gluonové plazma. Při nižších teplotách a hustotách máme mnohem stabilnější hadrony: protony a neutrony. BNL/RHIC
V teple raného vesmíru, ale až poté, co základní částice získají klidovou hmotnost, máme každou energeticky možnou kombinaci částice a antičástice, která se objevuje a mizí. Existují:
- kvarky a antikvarky,
- leptony a antileptony,
- neutrina a antineutrina,
- a také měřítkové bosony,
všechny existují tak dlouho, dokud je dostatek energie (E) k vytvoření těchto částic daných hmotností (m) prostřednictvím Einsteinova E = mc2. Částice získávají hmotnost pouhých 100 pikosekund (10-10 s) po začátku horkého velkého třesku, ale ještě neexistují žádné protony ani neutrony.
záření a bylo tak horké a husté, že po první zlomek sekundy bránilo stabilnímu vzniku všech složených částic, jako jsou protony a neutrony. RHIC collaboration, Brookhaven
Na místo toho je vesmír tak horký a hustý, že to, co máme, se nazývá kvark-gluonové plazma. Důvod tohoto jevu je kontraintuitivní, pokud jediné síly, které znáte, jsou gravitace a elektromagnetismus. V těchto případech síly nabývají na velikosti tím více, čím blíže k sobě přiblížíte dvě částice. Zkraťte vzdálenost mezi dvěma elektrickými náboji na polovinu a síla mezi nimi se zčtyřnásobí; zkraťte vzdálenost mezi dvěma hmotami na polovinu a síla se může dokonce více než zčtyřnásobit, jak to diktuje obecná relativita.
Vezměte však například dva kvarky, antikvarky nebo kombinaci kvarku a antikvarku a zmenšete vzdálenost mezi nimi na polovinu a síla silné jaderné síly, která je spojuje, udělá něco úplně jiného. Nezčtyřnásobí se. Dokonce se ani nezdvojnásobí. Místo toho síla mezi nimi klesne.
síla interakce klesne na nulu. Na velkých vzdálenostech se rychle zvětšuje. To je myšlenka asymptotické volnosti, která byla experimentálně potvrzena s velkou přesností. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Je to zvláštní, ale takto atomová jádra a silná jaderná síla skutečně fungují. Pod určitou vzdáleností síla mezi jakýmikoli dvěma částicemi s barevným nábojem (kvarky a gluony) ve skutečnosti klesá na nulu a roste až s tím, jak se od sebe vzdalují. Při vysokých teplotách a hustotách v těchto velmi raných dobách je jaderná síla příliš slabá na to, aby něco spojila. V důsledku toho se částice jednoduše pohybují kolem, srážejí se navzájem, vytvářejí nové a anihilují pryč.
S rozpínáním vesmíru se však ochlazuje a zároveň se snižuje jeho hustota. A jak čas plyne, je stále těžší vytvářet hmotnější částice.
z čisté energie je zcela vratná reakce (správně), přičemž hmota/antihmota anihiluje zpět na čistou energii. Tento proces vzniku a anihilace, který se řídí E = mc^2, je jediným známým způsobem vzniku a zániku hmoty nebo antihmoty. Při nízkých energiích je tvorba částic-antičástic potlačena. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
S výjimkou nejlehčích kvarků (up a down plus anti-up a anti-down) a nejlehčího nabitého leptonu (elektron plus pozitron) jsou navíc všechny ostatní částice nestabilní vůči radioaktivnímu rozpadu. Jak se pikosekundy mění v nanosekundy a nanosekundy se hromadí v mikrosekundy, těžší částice přestávají vznikat a mizí z našeho vesmíru. Nejdříve zmizí dolní/anti-dolní kvarky a po nich tau a antitau leptony. Pak zmizí charm/anticharm kvarky, následované podivnými/antipodivnými kvarky.
vesmír určuje, kdy a za jakých podmínek mohou vznikat. Čím je částice hmotnější, tím kratší dobu může v raném vesmíru samovolně vznikat. Obr. 15-04a z universe-review.ca
Když ztrácíme stále více kombinací částice/antičástice, vznikají větší počty lehčích párů částice/antičástice, které ještě mohou existovat, ale také větší počty fotonů. Pokaždé, když v důsledku anihilace částic/antičástic vytvoříme dva fotony, o něco se zpomalí ochlazování vesmíru. Vesmír se ochlazuje a řídne, ale také se mění to, co je v něm. V počátečních fázích tvoří fotony, neutrina a antineutrina jen malé, ale podstatné procento částic v okolí. Ale jak tyto částice začínají mizet, tyto podíly stoupají stále výš a výš.
a jejich částice antihmoty byly mimořádně hojné, ale jak se vesmír ochlazoval, většina z nich anihilovala pryč. Veškerá konvenční hmota, která nám dnes zbyla, pochází z kvarků a leptonů, zatímco vše, co anihilovalo, vytvořilo další fotony, neutrina a antineutrina. E. Siegel / Beyond The Galaxy
A jak se vesmír ochlazuje ještě více, miony a antimiony se začínají rozpadat pryč a zároveň se kvarky nahoru a dolů (plus kvarky anti-up a anti-down) začínají oddělovat do značných (femtometrových: 10-15 m) vzdáleností. Asi 10 až 20 mikrosekund po velkém třesku dosáhneme kritické kombinace teploty a hustoty. Nyní jsme se ochladili na teplotu kolem 2 bilionů K (2 × 1012 K) a kvarky a antikvarky jsou nyní dostatečně daleko od sebe, takže silná síla začíná být podstatná.
Stejně jako nenatažená pružina nepůsobí silou, ale natažená ano, kvarky necítí omezující sílu, dokud nedosáhnou určité vzdálenosti. Jakmile to však udělají, stanou se vázanými.
jeho spin, ale i gluony, mořské kvarky a antikvarky a také orbitální úhlový moment. Elektrostatické odpuzování a přitažlivá silná jaderná síla v tandemu dávají protonu jeho velikost. APS/Alan Stonebraker
Postupně dochází k přechodu: od volných kvarků nahoru, dolů, anti-up a anti-down k vázaným protonům, neutronům, antiprotonům a antineutronům. Vesmír je stále dostatečně horký na to, aby vytvářel nové kombinace částic a antičástic, a vytvářel spoustu kombinací kvarků up/anti-up a down/anti-down, když byl dostatečně hustý.
Ale nyní, když není dostatečně hustý a místo toho máme protony a neutrony (a antiprotony a antineutrony), není vesmír dostatečně horký na to, aby spontánně vytvářel nové páry proton/antiproton nebo neutron/antineutron. To znamená, že když se protony a antiprotony (nebo neutrony a antineutrony) najdou, anihilují pryč a my nemůžeme vytvořit nové.
antičástice, může anihilovat pryč na čistou energii. To znamená, že pokud srazíte jakékoliv dvě částice vůbec s dostatečnou energií, můžete vytvořit pár hmota-antihmota. Pokud je však vesmír pod určitým prahem energie, můžete pouze anihilovat, nikoliv vytvořit. Andrew Deniszczyc, 2017
Co se tedy stane, když vesmír prochází touto kritickou fází, je následující:
- zbylé volné kvarky začnou zažívat uzavřenost, stávají se protony, neutrony, antiprotony, antineutrony a piony (nestabilní částice známé jako mezony),
- mezony se rozpadají, zatímco antiprotony a antineutrony anihilují s protony a neutrony,
- a tak nám zůstanou jen protony a neutrony, a to jen proto, že v nějaké dřívější fázi vesmír vytvořil více hmoty než antihmoty.
částice a antičástice se rozpadají, zatímco páry hmota-antihmota anihilují a fotony se již nemohou srážet při dostatečně vysokých energiích, aby vytvořily nové částice. Vždy však budou existovat zbytky částic, které již nemohou najít své antičásticové protějšky. Buď jsou stabilní, nebo se rozpadnou, ale obojí má pro náš vesmír své důsledky. E. Siegel
Nakonec se vesmír začíná podobat něčemu, co bychom dnes poznali. Jistě, je horký a hustý. Jistě, nejsou v něm žádné atomy a dokonce ani žádná atomová jádra. Jistě, je stále naplněn spoustou pozitronů (protějšek elektronů z antihmoty) a elektronů a stále je spontánně vytváří-a-anihiluje. Ale většina toho, co existuje nyní, možná 25 mikrosekund po začátku horkého velkého třesku, existuje v nějaké podobě i dnes. Protony a neutrony se stanou stavebními kameny atomů; neutrina a antineutrina a fotony se stanou součástí kosmického pozadí; zbylé elektrony, které budou existovat po anihilaci párů elektron/pozitron, se spojí s atomovými jádry a umožní vznik atomů, molekul a složitých biochemických reakcí.
(žlutá), d orbitaly (modrá) a f orbitaly (zelená) mohou obsahovat pouze po dvou elektronech: jeden spin nahoru a jeden spin dolů v každém z nich. Počet zaplněných orbitalů je určen počtem protonů v jádře atomu. Bez protonů vytvořených v raném vesmíru by nic z toho, co máme dnes ve vesmíru, nebylo možné. Knihovna Libretexts / NSF / UC Davis
Největší novinkou, která se v této fázi objevuje, je to, že částice již nejsou individuální-a-volné na všech škálách. Místo toho se ve vesmíru poprvé vytvořil stabilní, vázaný stav více částic. Proton jsou dva kvarky up a jeden kvark down, vázané gluony, zatímco neutron je jeden kvark up a dva kvarky down, vázané gluony. Jen díky tomu, že jsme vytvořili více hmoty než antihmoty, máme vesmír, ve kterém zbyly protony a neutrony; jen díky tomu, že Higgsův boson dodal základním částicím klidovou hmotnost, máme tato vázaná, atomová jádra.
existence „barevného náboje“ a výměna gluonů, je zodpovědná za sílu, která drží atomová jádra pohromadě. Wikimedia Commons uživatel Qashqaiilove
Vzhledem k povaze silné síly a obrovské vazebné energii, k níž dochází při těchto interakcích mezi kvarky, které připomínají roztažené jiskry, jsou hmotnosti protonu a neutronu asi 100krát těžší než kvarky, které je tvoří. Higgsův boson dal vesmíru hmotnost, ale vazba je to, co nám dává 99 % naší hmotnosti. Bez protonů a neutronů by náš vesmír nikdy nebyl stejný.
Další čtení o tom, jaký byl vesmír, když:
- Jaké to bylo, když se vesmír nafukoval?
- Jaké to bylo, když poprvé začal velký třesk?
- Jaké to bylo, když byl vesmír nejžhavější?
- Jaké to bylo, když se ve vesmíru poprvé vytvořilo více hmoty než antihmoty?
- Jaké to bylo, když Higgsův boson dal vesmíru hmotnost?
Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.
