gluoner, og kvarkspin vist. Kernekraften virker som en fjeder, med en ubetydelig kraft, når den er uudstrakt, men store, tiltrækkende kræfter, når den strækkes over store afstande. Brookhaven National Laboratory
Historien om vores kosmiske historie er et univers, der udvider sig og afkøles. I takt med at vi udviklede os fra en varm, tæt, ensartet tilstand til en kold, sparsom, klumpet tilstand, skete der en række betydningsfulde begivenheder i løbet af vores kosmiske historie. I det øjeblik, hvor det varme Big Bang fandt sted, var universet fyldt med alle mulige ultrahøje energipartikler, antipartikler og strålingskvanter, der bevægede sig med eller tæt på lysets hastighed.
På den anden side har vi i dag et univers fyldt med stjerner, galakser, gas, støv og mange andre fænomener, der har for lavt energiniveau til at have eksisteret i det tidlige univers. Da tingene først var afkølet nok til, at Higgs gav masse til universet, kunne man tro, at der straks ville blive dannet protoner og neutroner. Men de kunne ikke eksistere med det samme. Her er historien om, hvordan de blev til.
frit, ubundet, quark-gluon plasma. Ved lavere temperaturer og tætheder har vi meget mere stabile hadroner: protoner og neutroner. BNL/RHIC
I varmen i det tidlige univers, men efter at de fundamentale partikler har fået en hvilemasse, har vi alle kombinationer af partikler og antipartikler, der er energimæssigt mulige, og som kommer ind og ud af tilværelsen. Der er:
- kvarker og antikvarker,
- leptoner og antileptoner,
- neutrinoer og antineutrinoer,
- samt gaugebosonerne,
som alle eksisterer, så længe der er energi (E) nok til at skabe disse partikler med givne masser (m) via Einsteins E = mc2. Partiklerne får masse blot 100 picosekunder (10-10 s) efter, at det varme Big Bang begynder, men der er endnu ingen protoner eller neutroner.
stråling, og var så varm og tæt, at den forhindrede alle sammensatte partikler, som protoner og neutroner i stabilt at blive dannet i den første brøkdel af et sekund. RHIC-samarbejdet, Brookhaven
I stedet er universet så varmt og tæt, at det, vi har, er kendt som et quark-gluon-plasma. Årsagen til dette er kontraintuitiv, hvis de eneste kræfter, man kender til, er tyngdekraften og elektromagnetismen. I disse tilfælde bliver kræfterne stærkere i størrelse, jo tættere man bringer to partikler på hinanden. Halverer afstanden mellem to elektriske ladninger, og kraften firdobles mellem dem; halverer afstanden mellem to masser, og kraften kan endda mere end firdobles, som den generelle relativitetsteori dikterer.
Men tag f.eks. to kvarker, antikvarker eller en kombination af kvark og antikvark, og halverer afstanden mellem dem, og styrken af den stærke kernekraft, der binder dem sammen, gør noget helt andet. Den firedobles ikke. Den bliver ikke engang fordoblet. I stedet falder kraften mellem dem.
krafts vekselvirkningsstyrke falder til nul. Ved store afstande stiger den hurtigt. Dette er ideen om asymptotisk frihed, som er blevet eksperimentelt bekræftet med stor præcision. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Det er mærkeligt, men det er sådan atomkerner og den stærke kernekraft faktisk fungerer. Under en vis afstand falder kraften mellem to partikler med en farveladning (kvarker og gluoner) faktisk til nul og øges kun, når de kommer længere væk fra hinanden. Ved de høje temperaturer og tætheder, der var til stede i disse meget tidlige tider, er kernekraften for svag til at binde noget sammen. Som følge heraf suser partikler simpelthen rundt, kolliderer med hinanden, skaber nye partikler og annihilerer sig selv.
Men efterhånden som universet udvider sig, afkøles det og bliver mindre tæt. Og efterhånden som tiden går, bliver det sværere at lave de mere massive partikler.
fra ren energi er en fuldstændig reversibel reaktion (til højre), hvor stof/antistof annihileres tilbage til ren energi. Denne skabelses- og annihilationsproces, som adlyder E = mc^2, er den eneste kendte måde at skabe og ødelægge stof eller antimaterie på. Ved lave energier er partikel-antipartikel-skabelse undertrykt. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
Dertil kommer, at bortset fra de letteste kvarker (up og down, plus anti-up og anti-down) og den letteste ladede lepton (elektronen, plus positronen) er alle de andre partikler ustabile over for radioaktivt henfald. Efterhånden som picosekunderne bliver til nanosekunder, og nanosekunderne hober sig op til mikrosekunder, holder de tungere partikler op med at blive skabt og forsvinder fra vores univers. Bund/anti-bund-kvarker forsvinder først, efterfulgt af tau- og anti-tau-leptonerne. Derefter forsvinder charm/anti-charm-kvarkerne, efterfulgt af de mærkelige/anti-strange kvarker.
Universet bestemmer, hvornår og under hvilke betingelser de kan skabes. Jo mere massiv en partikel er, jo kortere tid kan den spontant skabes i det tidlige univers. Fig. 15-04a fra universe-review.ca
Efterhånden som vi mister flere og flere partikel/antipartikel-kombinationer, skaber de et større antal af de lettere partikel/antipartikelpar, som stadig kan eksistere, men også et større antal fotoner. Hver gang vi producerer to fotoner fra partikel/antipartikel-annihilation, bremser det nedkølingen af universet en lille smule. Universet bliver koldere og mere spredt, men det ændrer også det, der er i det. I de tidlige stadier er kun en lille, men væsentlig procentdel af de partikler, der er til stede, fotoner, neutrinoer og antineutrinoer. Men efterhånden som disse partikler begynder at forsvinde, stiger disse andele højere og højere.
og deres antimateriepartikler var ekstraordinært rigelige, men efterhånden som universet blev afkølet, annihilerede størstedelen af dem væk. Alt det konventionelle stof, vi har tilbage i dag, stammer fra kvarkerne og leptonerne, mens alt det, der annihilerede væk, skabte flere fotoner, neutrinoer og antineutrinoer. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Og efterhånden som universet afkøles endnu mere, begynder myonerne og antimyonerne at henfalde, samtidig med at de op- og nedadgående kvarker (plus de anti-op- og anti-nedadgående kvarker) begynder at skille sig ad til betydelige (femtometer: 10-15 m) afstande. Omkring 10-20 mikrosekunder efter Big Bang rammer vi en kritisk kombination af temperatur og tæthed. Vi er nu afkølet til en temperatur på omkring 2 billioner K (2 × 1012 K), og nu er kvarkerne og antikvarkerne langt nok fra hinanden til, at den stærke kraft begynder at blive betydelig.
Som en uudstrakt fjeder ikke udøver en kraft, men en udstrakt fjeder gør, mærker kvarkerne ikke en indsnævrende kraft, før de når en vis afstand. Men når de først gør det, bliver de bundet.
sit spin, men det gør gluonerne, havkvarkerne og antikvarkerne også, og det samme gør orbital vinkelbevægelse. Det er den elektrostatiske frastødning og den tiltrækkende stærke kernekraft, der i samspil giver protonen dens størrelse. APS/Alan Stonebraker
Graduelt foretager vi overgangen: fra frie up-, down-, anti-up- og anti-down-kvarker til bundne protoner, neutroner, antiprotoner og antieutroner. Universet er stadig varmt nok til at lave nye partikel-antipartikel-kombinationer, og lavede masser af up/anti-up og down/anti-down kvark-kombinationer, da tingene var tætte nok.
Men nu, hvor de ikke er tætte nok, og vi i stedet har protoner og neutroner (og antiprotoner og antieutroner), er universet ikke varmt nok til spontant at skabe nye proton/antiproton- eller neutron/anti-neutronpar. Det betyder, at når protoner og antiprotoner (eller neutroner og antieutroner) finder hinanden, annihilerer de væk, og vi kan ikke lave nye.
antipartikel, kan den annihilere væk til ren energi. Det betyder, at hvis man støder to partikler sammen med tilstrækkelig energi, kan man skabe et stof-antistof-partikler-par. Men hvis universet er under en vis energitærskel, kan man kun annihilere, ikke skabe. Andrew Deniszczyc, 2017
Det, der så sker, når universet afkøles gennem dette kritiske stadium, er følgende:
- de resterende frie kvarker begynder at opleve indespærring og bliver til protoner, neutroner, antiprotoner, antieutroner og pioner (ustabile partikler, der er kendt som mesoner),
- måneonerne henfalder, mens anti-protonerne og anti-neutronerne annihilerer med protonerne og neutronerne,
- og dette efterlader os med protoner og neutroner alene, kun fordi universet på et tidligere tidspunkt skabte mere stof end antimaterie.
partikler og antipartikler henfalder, mens stof-antistofpar annihileres, og fotoner ikke længere kan kollidere med tilstrækkelig høj energi til at skabe nye partikler. Men der vil altid være tilbageværende partikler, som ikke længere kan finde deres antipartikelmodstykker. Enten er de stabile, eller også vil de henfalde, men begge dele har konsekvenser for vores univers. E. Siegel
Til sidst begynder universet at ligne noget, som vi ville kunne genkende i dag. Selvfølgelig er det varmt og tæt. Sikkert, der er ingen atomer eller endda nogen atomkerner. Sikkert, det er stadig fyldt med en masse positroner (elektronernes antimaterie-modstykke) og elektroner, og det er stadig ved at skabe-og-annihilere dem spontant. Men det meste af det, der eksisterer nu, måske 25 mikrosekunder efter starten af det varme Big Bang, eksisterer stadig i en eller anden form i dag. Protonerne og neutronerne bliver byggestenene i atomerne; neutrinoerne og antineutrinoerne og fotonerne bliver en del af den kosmiske baggrund; de resterende elektroner, der vil være tilbage, når elektron/positron-parrene udslettes, vil kombinere sig med atomkernerne for at gøre atomer, molekyler og komplekse biokemiske reaktioner mulige.
(gul), d-orbitalerne (blå) og f-orbitalerne (grøn) kan kun indeholde to elektroner hver: et spin opad og et spin nedad i hver af dem. Antallet af fyldte orbitaler er bestemt af antallet af protoner i atomets kerne. Uden de protoner, der blev skabt i det tidlige univers, ville intet af det, vi har i vores univers i dag, være muligt. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Men på dette stadium er den største nye ting, der sker, at partikler ikke længere er individuelle og frie på alle skalaer. I stedet har universet for første gang skabt en stabil, bundet tilstand af flere partikler. En proton er to op- og en ned-kvark, bundet af gluoner, mens en neutron er en op- og to ned-kvark, bundet af gluoner. Kun fordi vi skabte mere stof end antimaterie, har vi et univers, der har protoner og neutroner tilbage; kun fordi Higgs gav hvilemasse til de fundamentale partikler, får vi disse bundne, atomkerner.
eksistensen af “farveladning” og udvekslingen af gluoner, er ansvarlig for den kraft, der holder atomkerner sammen. Wikimedia Commons-brugeren Qashqaiilove
Da den stærke krafts natur og den enorme bindingsenergi, der opstår i disse stræk-spring-lignende vekselvirkninger mellem kvarkerne, skyldes, at protonens og neutronens masse er omkring 100 gange tungere end de kvarker, der udgør dem. Higgs gav masse til universet, men det er indeslutningen, der giver os 99 % af vores masse. Uden protoner og neutroner ville vores univers aldrig være det samme.
Yderligere læsning om, hvordan universet var dengang:
- Hvordan var det, da universet var oppustet?
- Hvordan var det, da Big Bang først begyndte?
- Hvordan var det, da universet var på sit varmeste?
- Hvordan var det, da universet først skabte mere stof end antimaterie?
- Hvordan var det, da Higgs gav masse til universet?
Følg mig på Twitter. Tjek mit websted eller nogle af mine andre værker her.
