gluones, y se muestra el espín de los quarks. La fuerza nuclear actúa como un muelle, con una fuerza insignificante cuando no se estira pero con grandes fuerzas de atracción cuando se estira a grandes distancias. Laboratorio Nacional de Brookhaven
La historia de nuestro cósmico es la de un Universo en expansión y enfriamiento. Al pasar de un estado caliente, denso y uniforme a uno frío, disperso y aglomerado, se produjeron una serie de acontecimientos trascendentales a lo largo de nuestra historia cósmica. En el momento del Big Bang caliente, el Universo estaba lleno de todo tipo de partículas, antipartículas y cuantos de radiación de altísima energía, que se movían a la velocidad de la luz o cerca de ella.
En cambio, hoy tenemos un Universo lleno de estrellas, galaxias, gas, polvo y muchos otros fenómenos que tienen una energía demasiado baja para haber existido en el Universo primitivo. Una vez que las cosas se enfriaron lo suficiente como para que el Higgs diera masa al Universo, se podría pensar que se formarían inmediatamente protones y neutrones. Pero no pudieron existir de inmediato. Esta es la historia de cómo llegaron a existir.
plasma de quark-gluón libre y sin ligaduras. A temperaturas y densidades más bajas, tenemos hadrones mucho más estables: protones y neutrones. BNL/RHIC
En el calor del Universo primitivo, pero después de que las partículas fundamentales hayan obtenido una masa en reposo, tenemos cada combinación partícula-antipartícula que es energéticamente posible entrando y saliendo de la existencia. Existen:
- quarks y antiquarks,
- leptones y antileptones,
- neutrinos y antineutrinos,
- así como los bosones gauge,
todos los cuales existen mientras haya suficiente energía (E) para crear estas partículas de masas dadas (m) vía E = mc2 de Einstein. Las partículas adquieren masa sólo 100 picosegundos (10-10 s) después de que comience el caliente Big Bang, pero todavía no hay protones ni neutrones.
radiación, y era tan caliente y densa que impedía que todas las partículas compuestas, como los protones y los neutrones, se formaran de forma estable durante la primera fracción de segundo. Colaboración RHIC, Brookhaven
En cambio, el Universo es tan caliente y denso que lo que tenemos se conoce como plasma de quark-gluones. La razón de esto es contraintuitiva, si las únicas fuerzas con las que estás familiarizado son la gravedad y el electromagnetismo. En esos casos, las fuerzas se hacen más fuertes en magnitud cuanto más se acercan dos partículas. Si se reduce a la mitad la distancia entre dos cargas eléctricas, la fuerza se cuadruplica entre ellas; si se reduce a la mitad la distancia entre dos masas, la fuerza puede incluso ser más que cuádruple, como dicta la Relatividad General.
Pero si se toman dos quarks, antiquarks o una combinación de quarks y antiquarks, por ejemplo, y se reduce a la mitad la distancia entre ellos, la fuerza nuclear fuerte que los une hace algo muy diferente. No se cuadruplica. Ni siquiera se duplica. En cambio, la fuerza entre ellos cae.
La fuerza de interacción de la fuerza cae a cero. A grandes distancias, aumenta rápidamente. Esta es la idea de la libertad asintótica, que ha sido confirmada experimentalmente con gran precisión. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Esto es extraño, pero así es como funcionan realmente los núcleos atómicos y la fuerza nuclear fuerte. Por debajo de cierta distancia, la fuerza entre dos partículas cualquiera con carga de color (quarks y gluones) cae realmente a cero, y sólo aumenta a medida que se alejan. A las altas temperaturas y densidades presentes en estos primeros tiempos, la fuerza nuclear es demasiado débil para unir nada. Como resultado, las partículas simplemente se mueven de un lado a otro, colisionando entre sí, creando otras nuevas y aniquilándose.
Pero a medida que el Universo se expande, se enfría y se vuelve menos denso. Y a medida que pasa el tiempo, se hace más difícil crear las partículas más masivas.
desde la energía pura es una reacción completamente reversible (derecha), con la materia/antimateria aniquilándose de nuevo a energía pura. Este proceso de creación y aniquilación, que obedece a E = mc^2, es la única forma conocida de crear y destruir materia o antimateria. A bajas energías, la creación de partículas-antipartículas se suprime. Dmitri Pogosyan / Universidad de Alberta
Además, con la excepción de los quarks más ligeros (up y down, más anti-up y anti-down) y el leptón cargado más ligero (el electrón, más el positrón), todas las demás partículas son inestables a la desintegración radiactiva. A medida que los picosegundos se convierten en nanosegundos, y los nanosegundos se acumulan en microsegundos, las partículas más pesadas dejan de crearse y desaparecen de nuestro Universo. Primero desaparecen los quarks bottom/anti-bottom, seguidos de los leptones tau y anti-tau. Luego desaparecen los quarks charm/anti-charm, seguidos de los quarks strange/anti-strange.
El Universo determina cuándo y en qué condiciones pueden crearse. Cuanto más masiva es una partícula, menos tiempo puede crearse espontáneamente en el Universo primitivo. Fig. 15-04a de universe-review.ca
A medida que perdemos más y más combinaciones de partículas/antipartículas, crean un mayor número de los pares de partículas/antipartículas más ligeras que aún pueden existir, pero también un mayor número de fotones. Cada vez que producimos dos fotones a partir de la aniquilación partícula/antipartícula, se ralentiza un poco el enfriamiento del Universo. El Universo se enfría y se hace más escaso, pero también cambia lo que hay en él. En las primeras etapas, sólo un pequeño pero sustancial porcentaje de las partículas que hay son fotones, neutrinos y antineutrinos. Pero a medida que estas partículas comienzan a desaparecer, estas fracciones aumentan cada vez más.
y sus partículas de antimateria eran extraordinariamente abundantes, pero al enfriarse el Universo, la mayoría se aniquiló. Toda la materia convencional que nos queda hoy en día procede de los quarks y los leptones, mientras que todo lo que se aniquiló creó más fotones, neutrinos y antineutrinos. E. Siegel / Más allá de la galaxia
Y a medida que el Universo se enfría aún más, los muones y antimuones comienzan a desintegrarse, al mismo tiempo que los quarks arriba y abajo (más los antiquarks arriba y abajo) comienzan a separarse a distancias considerables (femtómetro: 10-15 m). Entre 10 y 20 microsegundos después del Big Bang, alcanzamos una combinación crítica de temperatura y densidad. Nos hemos enfriado a una temperatura de unos 2 billones de K (2 × 1012 K), y ahora los quarks y los antiquarks están lo suficientemente separados como para que la fuerza fuerte empiece a ser sustancial.
Al igual que un muelle no estirado no ejerce una fuerza, pero sí un muelle estirado, los quarks no sienten una fuerza de confinamiento hasta que alcanzan una cierta distancia. Pero una vez que lo hacen, se convierten en ligados.
su giro, pero también lo hacen los gluones, los quarks marinos y los antiquarks, y el momento angular orbital también. La repulsión electrostática y la fuerza nuclear fuerte atractiva, en tándem, son las que dan al protón su tamaño. APS/Alan Stonebraker
Gradualmente, hacemos la transición: de quarks libres arriba, abajo, antiarriba y antiabajo a protones, neutrones, antiprotones y antineutrones ligados. El Universo todavía está lo suficientemente caliente como para hacer nuevas combinaciones de partículas-antipartículas, y estaba haciendo muchas combinaciones de quarks up/anti-up y down/anti-down cuando las cosas eran lo suficientemente densas.
Pero ahora que no son lo suficientemente densas, y tenemos protones y neutrones (y antiprotones y antineutrones) en su lugar, el Universo no está lo suficientemente caliente como para crear espontáneamente nuevos pares protón/antiprotón o neutrón/antineutrón. Lo que esto significa es que cuando protones y antiprotones (o neutrones y antineutrones) se encuentran, se aniquilan, y no podemos hacer nuevos.
antipartícula, puede aniquilarse en energía pura. Esto significa que si colisionas dos partículas cualesquiera con suficiente energía, puedes crear un par materia-antimateria. Pero si el Universo está por debajo de un determinado umbral de energía, sólo se puede aniquilar, no crear. Andrew Deniszczyc, 2017
Lo que sucede, entonces, a medida que el Universo se enfría a través de esta etapa crítica es lo siguiente:
- los quarks libres restantes comienzan a experimentar el confinamiento, convirtiéndose en protones, neutrones, antiprotones, antineutrones y piones (partículas inestables conocidas como mesones),
- los mesones se desintegran, mientras que los antiprotones y antineutrones se aniquilan con los protones y neutrones,
- y esto nos deja sólo con protones y neutrones, sólo porque en alguna etapa anterior, el Universo creó más materia que antimateria.
las partículas y antipartículas decaen, mientras que los pares materia-antimateria se aniquilan y los fotones ya no pueden colisionar a energías lo suficientemente altas como para crear nuevas partículas. Pero siempre habrá partículas sobrantes que ya no pueden encontrar sus contrapartes antipartículas. O son estables o decaen, pero ambas cosas tienen consecuencias para nuestro Universo. E. Siegel
Por fin, el Universo empieza a parecerse a algo que reconoceríamos hoy en día. Claro, es caliente y denso. Claro, no hay átomos, ni siquiera núcleos atómicos. Claro, todavía está lleno de un montón de positrones (la contraparte antimateria de los electrones) y electrones, y todavía está creando y aniquilando espontáneamente. Pero la mayor parte de lo que existe ahora, tal vez 25 microsegundos después del inicio del Big Bang caliente, sigue existiendo de alguna forma en la actualidad. Los protones y neutrones se convertirán en los bloques de construcción de los átomos; los neutrinos y antineutrinos y los fotones pasarán a formar parte del fondo cósmico; los electrones sobrantes que existirán cuando los pares electrón/positrón se aniquilen se combinarán con los núcleos atómicos para hacer posibles los átomos, las moléculas y las complejas reacciones bioquímicas.
(amarillo), los orbitales d (azul) y los orbitales f (verde) sólo pueden contener dos electrones cada uno: un espín hacia arriba y otro hacia abajo en cada uno. El número de orbitales llenos está determinado por el número de protones en el núcleo del átomo. Sin los protones creados en el Universo primitivo, nada de lo que tenemos hoy en el Universo sería posible. Biblioteca Libretexts / NSF / UC Davis
Pero en esta etapa, la mayor novedad que se produce es que las partículas ya no son individuales y libres en todas las escalas. En su lugar, por primera vez, el Universo ha creado un estado estable y ligado de múltiples partículas. Un protón es dos quarks up y uno down, unidos por gluones, mientras que un neutrón es un quark up y dos down, unidos por gluones. Sólo porque creamos más materia que antimateria tenemos un Universo al que le sobran protones y neutrones; sólo porque el Higgs dio masa de reposo a las partículas fundamentales tenemos estos núcleos atómicos ligados.
la existencia de «carga de color» y el intercambio de gluones, es responsable de la fuerza que mantiene unidos los núcleos atómicos. Usuario de Wikimedia Commons Qashqaiilove
Debido a la naturaleza de la fuerza fuerte, y a la tremenda energía de enlace que se produce en estas interacciones tipo resorte entre los quarks, las masas del protón y del neutrón son unas 100 veces más pesadas que los quarks que los componen. El Higgs dio masa al Universo, pero el confinamiento es lo que nos da el 99% de nuestra masa. Sin protones y neutrones, nuestro Universo nunca sería el mismo.
Más lecturas sobre cómo era el Universo cuando:
- ¿Cómo era cuando el Universo se estaba inflando?
- ¿Cómo era cuando comenzó el Big Bang?
- ¿Cómo era cuando el Universo estaba en su punto más caliente?
- ¿Cómo era cuando el Universo creó por primera vez más materia que antimateria?
- ¿Cómo era cuando el bosón de Higgs dio masa al Universo?
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