Gluonen und Quarkspin dargestellt. Die Kernkraft wirkt wie eine Feder, mit vernachlässigbarer Kraft, wenn sie ungedehnt ist, aber großen, anziehenden Kräften, wenn sie auf große Entfernungen gedehnt wird. Brookhaven National Laboratory
Die Geschichte unserer kosmischen Geschichte ist die Geschichte eines sich ausdehnenden und abkühlenden Universums. Auf dem Weg von einem heißen, dichten, gleichförmigen Zustand zu einem kalten, spärlichen, klumpigen Zustand ereigneten sich im Laufe unserer kosmischen Geschichte eine Reihe von bedeutsamen Ereignissen. Zum Zeitpunkt des heißen Urknalls war das Universum mit allen möglichen ultrahochenergetischen Teilchen, Antiteilchen und Strahlungsquanten gefüllt, die sich mit oder nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegten.
Heute hingegen haben wir ein Universum voller Sterne, Galaxien, Gas, Staub und vieler anderer Phänomene, die zu energiearm sind, um im frühen Universum existiert zu haben. Sobald die Dinge so weit abgekühlt waren, dass das Higgs dem Universum Masse verlieh, könnte man meinen, dass sich sofort Protonen und Neutronen bilden würden. Aber sie konnten nicht sofort existieren. Hier ist die Geschichte, wie sie entstanden sind.
freies, ungebundenes Quark-Gluon-Plasma. Bei niedrigeren Temperaturen und Dichten haben wir viel stabilere Hadronen: Protonen und Neutronen. BNL/RHIC
In der Hitze des frühen Universums, aber nachdem die fundamentalen Teilchen eine Ruhemasse erlangt haben, gibt es jede Teilchen-Antiteilchen-Kombination, die energetisch möglich ist, und die immer wieder auftaucht. Es gibt:
- Quarks und Antiquarks,
- Leptonen und Antileptonen,
- Neutrinos und Antineutrinos,
- sowie die Eichbosonen,
die alle so lange existieren, wie genügend Energie (E) vorhanden ist, um diese Teilchen mit gegebenen Massen (m) über Einsteins E = mc2 zu erzeugen. Die Teilchen erhalten ihre Masse nur 100 Pikosekunden (10-10 s) nach Beginn des heißen Urknalls, aber es gibt noch keine Protonen oder Neutronen.
Strahlung und war so heiß und dicht, dass sie die stabile Bildung aller zusammengesetzten Teilchen wie Protonen und Neutronen für den ersten Bruchteil einer Sekunde verhinderte. RHIC-Kollaboration, Brookhaven
Stattdessen ist das Universum so heiß und dicht, dass wir es als Quark-Gluon-Plasma bezeichnen. Der Grund dafür ist kontraintuitiv, wenn die einzigen Kräfte, die Sie kennen, Schwerkraft und Elektromagnetismus sind. In diesen Fällen werden die Kräfte umso stärker, je näher man zwei Teilchen zusammenbringt. Halbiert man den Abstand zwischen zwei elektrischen Ladungen, so vervierfacht sich die Kraft zwischen ihnen; halbiert man den Abstand zwischen zwei Massen, so kann sich die Kraft sogar mehr als vervierfachen, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie vorschreibt.
Nimmt man aber zum Beispiel zwei Quarks, Antiquarks oder eine Quark-Antiquark-Kombination, so halbiert sich der Abstand zwischen ihnen, und die Stärke der starken Kernkraft, die sie zusammenhält, verhält sich ganz anders. Sie vervierfacht sich nicht. Sie verdoppelt sich nicht einmal. Stattdessen sinkt die Kraft zwischen ihnen.
Die Wechselwirkungsstärke der Kraft fällt auf Null. Bei großen Entfernungen nimmt sie rasch zu. Dies ist die Idee der asymptotischen Freiheit, die experimentell mit großer Genauigkeit bestätigt wurde. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Das ist seltsam, aber so funktionieren Atomkerne und die starke Kernkraft tatsächlich. Unterhalb eines bestimmten Abstands sinkt die Kraft zwischen zwei Teilchen mit einer Farbladung (Quarks und Gluonen) tatsächlich auf Null und nimmt nur zu, je weiter sie voneinander entfernt sind. Bei den hohen Temperaturen und Dichten, die zu diesen frühen Zeiten herrschten, ist die Kernkraft zu schwach, um irgendetwas miteinander zu verbinden. Infolgedessen schwirren die Teilchen einfach umher, kollidieren miteinander, erzeugen neue Teilchen und vernichten sich wieder.
Aber wenn sich das Universum ausdehnt, kühlt es ab und wird weniger dicht. Und im Laufe der Zeit wird es immer schwieriger, massereichere Teilchen zu erzeugen.
Die Umwandlung von reiner Energie in Materie/Antimaterie ist eine vollständig umkehrbare Reaktion (rechts), bei der Materie/Antimaterie wieder zu reiner Energie annihiliert wird. Dieser Erschaffungs- und Vernichtungsprozess, der E = mc^2 gehorcht, ist die einzige bekannte Möglichkeit, Materie oder Antimaterie zu erzeugen und zu vernichten. Bei niedrigen Energien wird die Erzeugung von Teilchen und Antiteilchen unterdrückt. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
Mit Ausnahme der leichtesten Quarks (up und down, plus anti-up und anti-down) und des leichtesten geladenen Leptons (Elektron, plus Positron) sind alle anderen Teilchen instabil gegenüber radioaktivem Zerfall. Wenn die Pikosekunden zu Nanosekunden werden und die Nanosekunden sich zu Mikrosekunden anhäufen, hören die schwereren Teilchen auf zu entstehen und verschwinden aus unserem Universum. Die Bottom/Anti-Bottom-Quarks verschwinden zuerst, gefolgt von den Tau- und Anti-Tau-Leptonen. Dann verschwinden die charm/anti-charm-Quarks, gefolgt von den strange/anti-strange-Quarks.
Das Universum bestimmt, wann und unter welchen Bedingungen sie erzeugt werden können. Je massereicher ein Teilchen ist, desto weniger Zeit kann es im frühen Universum spontan entstehen. Abb. 15-04a aus universe-review.ca
Wenn wir immer mehr Teilchen-Antiteilchen-Kombinationen verlieren, entsteht eine größere Anzahl der leichteren Teilchen-Antiteilchen-Paare, die noch existieren können, aber auch eine größere Anzahl von Photonen. Jedes Mal, wenn wir zwei Photonen aus der Teilchen-Antiteilchen-Annihilation erzeugen, verlangsamt sich die Abkühlung des Universums ein wenig. Das Universum kühlt ab und wird kleiner, aber es ändert sich auch, was sich darin befindet. In der Anfangsphase besteht nur ein kleiner, aber bedeutender Prozentsatz der Teilchen aus Photonen, Neutrinos und Antineutrinos. Aber wenn diese Teilchen zu verschwinden beginnen, steigt dieser Anteil immer weiter an.
und ihre Antimaterieteilchen waren außerordentlich reichlich vorhanden, aber als das Universum abkühlte, löste sich der Großteil davon auf. Die gesamte konventionelle Materie, die wir heute noch haben, stammt von den Quarks und Leptonen, während alles, was vernichtet wurde, weitere Photonen, Neutrinos und Antineutrinos erzeugt hat. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Und wenn sich das Universum noch weiter abkühlt, beginnen die Myonen und Antimyonen zu zerfallen, während die Up- und Down-Quarks (sowie die Anti-Up- und Anti-down-Quarks) beginnen, sich in beträchtliche Entfernungen (Femtometer: 10-15 m) zu entfernen. Etwa 10 bis 20 Mikrosekunden nach dem Urknall erreichen wir eine kritische Kombination aus Temperatur und Dichte. Wir haben uns nun auf eine Temperatur von etwa 2 Billionen K (2 × 1012 K) abgekühlt, und nun sind die Quarks und Antiquarks weit genug voneinander entfernt, so dass die starke Kraft zu wirken beginnt.
Wie eine ungedehnte Feder keine Kraft ausübt, eine gedehnte Feder aber schon, so spüren auch die Quarks keine einschränkende Kraft, bis sie einen bestimmten Abstand erreichen. Aber sobald sie das tun, werden sie gebunden.
ihren Spin, aber auch die Gluonen, Seequarks und Antiquarks sowie den Bahndrehimpuls. Die elektrostatische Abstoßung und die anziehende starke Kernkraft sind es, die dem Proton seine Größe verleihen. APS/Alan Stonebraker
Schrittweise vollziehen wir den Übergang: von freien Up-, Down-, Anti-Up- und Anti-down-Quarks zu gebundenen Protonen, Neutronen, Antiprotonen und Antineutronen. Das Universum ist immer noch heiß genug, um neue Teilchen-Antiteilchen-Kombinationen zu bilden, und hat viele up/anti-up und down/anti-down-Quark-Kombinationen gebildet, als die Dinge noch dicht genug waren.
Aber jetzt, wo sie nicht mehr dicht genug sind und wir stattdessen Protonen und Neutronen (und Antiprotonen und Antineutronen) haben, ist das Universum nicht heiß genug, um spontan neue Proton/Antiproton- oder Neutron/Antineutron-Paare zu bilden. Das bedeutet, dass Protonen und Antiprotonen (oder Neutronen und Antineutronen), wenn sie aufeinander treffen, sich gegenseitig vernichten und wir keine neuen Teilchen erzeugen können.
Antiteilchen können sich zu reiner Energie vernichten. Das heißt, wenn man zwei beliebige Teilchen mit genügend Energie zusammenstößt, kann man ein Materie-Antimaterie-Paar erzeugen. Liegt das Universum jedoch unterhalb einer bestimmten Energieschwelle, kann man nur vernichten, aber nicht erschaffen. Andrew Deniszczyc, 2017
Was also passiert, wenn das Universum durch dieses kritische Stadium abkühlt, ist Folgendes:
- die verbleibenden freien Quarks beginnen, sich einzuschließen und werden zu Protonen, Neutronen, Antiprotonen, Antineutronen und Pionen (instabile Teilchen, die als Mesonen bekannt sind),
- die Mesonen zerfallen, Die Mesonen zerfallen, während die Antiprotonen und Antineutronen mit den Protonen und Neutronen annihilieren,
- so dass nur Protonen und Neutronen übrig bleiben, weil das Universum zu einem früheren Zeitpunkt mehr Materie als Antimaterie geschaffen hat.
Teilchen und Antiteilchen zerfallen, während sich Materie-Antimaterie-Paare annihilieren und Photonen nicht mehr mit ausreichend hoher Energie zusammenstoßen können, um neue Teilchen zu erzeugen. Aber es wird immer Restteilchen geben, die ihre Antiteilchen-Gegenstücke nicht mehr finden können. Entweder sind sie stabil oder sie zerfallen, aber beides hat Konsequenzen für unser Universum. E. Siegel
Endlich beginnt das Universum, etwas zu ähneln, das wir heute wiedererkennen würden. Sicher, es ist heiß und dicht. Sicher, es gibt keine Atome oder gar Atomkerne. Sicher, es ist immer noch mit einem Haufen Positronen (dem Antimaterie-Gegenstück der Elektronen) und Elektronen gefüllt, die es immer noch spontan erzeugt und vernichtet. Aber das meiste von dem, was jetzt, vielleicht 25 Mikrosekunden nach dem Beginn des heißen Urknalls, existiert, existiert auch heute noch in irgendeiner Form. Die Protonen und Neutronen werden zu den Bausteinen der Atome; die Neutrinos und Antineutrinos sowie die Photonen werden Teil des kosmischen Hintergrunds; die übrig gebliebenen Elektronen, die nach der Annihilation der Elektron-Positron-Paare übrig bleiben, verbinden sich mit den Atomkernen und machen Atome, Moleküle und komplexe biochemische Reaktionen möglich.
(gelb), die d-Orbitale (blau) und die f-Orbitale (grün) können jeweils nur zwei Elektronen enthalten: jeweils einen Spin aufwärts und einen Spin abwärts in jedem Orbital. Die Anzahl der gefüllten Orbitale wird durch die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms bestimmt. Ohne die Protonen, die im frühen Universum entstanden sind, wäre nichts von dem, was wir heute in unserem Universum haben, möglich. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Die größte Neuerung in diesem Stadium ist jedoch, dass die Teilchen nicht mehr auf allen Skalen individuell und frei sind. Stattdessen hat das Universum zum ersten Mal einen stabilen, gebundenen Zustand aus mehreren Teilchen geschaffen. Ein Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark, gebunden durch Gluonen, während ein Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks besteht, gebunden durch Gluonen. Nur weil wir mehr Materie als Antimaterie geschaffen haben, haben wir ein Universum, in dem Protonen und Neutronen übrig geblieben sind; nur weil das Higgs den fundamentalen Teilchen Ruhemasse verliehen hat, haben wir diese gebundenen Atomkerne.
Die Existenz der „Farbladung“ und der Austausch von Gluonen ist für die Kraft verantwortlich, die Atomkerne zusammenhält. Wikimedia Commons Benutzer Qashqaiilove
Aufgrund der Natur der starken Kraft und der enormen Bindungsenergie, die bei diesen dehnungsartigen Wechselwirkungen zwischen den Quarks auftritt, sind die Massen von Proton und Neutron etwa 100 Mal schwerer als die Quarks, aus denen sie bestehen. Das Higgs hat dem Universum Masse verliehen, aber 99 % unserer Masse verdanken wir dem Einschluss. Ohne Protonen und Neutronen wäre unser Universum nicht dasselbe.
Weitere Informationen darüber, wie das Universum damals aussah:
- Wie war es, als sich das Universum aufblähte?
- Wie war es, als der Urknall begann?
- Wie war es, als das Universum am heißesten war?
- Wie war es, als das Universum erstmals mehr Materie als Antimaterie erzeugte?
- Wie war es, als das Higgs dem Universum Masse gab?
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