gluonit ja kvarkkien spin esitetty. Ydinvoima toimii kuin jousi, jonka voima on mitätön, kun sitä ei venytetä, mutta suuri, vetovoimainen, kun sitä venytetään suurille etäisyyksille. Brookhaven National Laboratory
Kosmisen historiamme tarina kertoo laajenevasta ja jäähtyvästä maailmankaikkeudesta. Edetessään kuumasta, tiheästä, yhtenäisestä tilasta kylmään, harvalukuiseen, kokkareiseen tilaan tapahtui kosmisen historiamme aikana useita merkittäviä tapahtumia. Kuuman alkuräjähdyksen hetkellä maailmankaikkeus oli täynnä kaikenlaisia erittäin suurienergisiä hiukkasia, antihiukkasia ja säteilykvantteja, jotka liikkuivat valon nopeudella tai lähes valon nopeudella.
Toisaalta nykyään meillä on maailmankaikkeus täynnä tähtiä, galakseja, kaasua, pölyä ja monia muita ilmiöitä, joiden energia on liian alhainen, jotta niitä olisi voinut olla olemassa alkuvaiheen maailmankaikkeudessa. Kun asiat viilenivät tarpeeksi, jotta Higgs antoi massan maailmankaikkeudelle, voisi ajatella, että protonit ja neutronit muodostuisivat välittömästi. Mutta niitä ei voinut olla olemassa heti. Tässä on tarina siitä, miten ne syntyivät.
vapaa, sitoutumaton kvark-gluoniplasma. Alemmissa lämpötiloissa ja tiheyksissä meillä on paljon vakaampia hadroneja: protoneita ja neutroneita. BNL/RHIC
Varhaisen maailmankaikkeuden lämmössä, mutta sen jälkeen kun perushiukkaset ovat saaneet lepomassan, meillä on jokainen hiukkas-antihiukkas-yhdistelmä, joka on energeettisesti mahdollinen, ponnahtelemassa sisään ja ulos olemassaolosta. On olemassa:
- kvarkkeja ja antikvarkkeja,
- leptoneja ja antileptoneja,
- neutriinoja ja antineutriinoja,
- sekä mittasuhdebosonit,
jotka kaikki ovat olemassa niin kauan kuin energiaa (E) riittää, jotta voidaan synnyttää näitä hiukkasia, joilla on tietyt määrätyt massat (m), Einsteinin lauseen kautta: E = mc2. Hiukkaset saavat massan vain 100 pikosekuntia (10-10 s) kuuman alkuräjähdyksen alkamisen jälkeen, mutta protoneja tai neutroneita ei vielä ole.
säteilyä, ja se oli niin kuumaa ja tiheää, että se esti kaikkia komposiittihiukkasia, kuten protoneja ja neutroneita muodostumasta stabiilisti ensimmäiseen sekunnin murto-osaan. RHIC collaboration, Brookhaven
Sen sijaan maailmankaikkeus on niin kuuma ja tiheä, että sitä, mitä meillä on, kutsutaan kvark-gluoniplasmaksi. Syy tähän on vastenmielinen, jos ainoat voimat, jotka tunnet, ovat painovoima ja sähkömagnetismi. Näissä tapauksissa voimat voimistuvat sitä voimakkaammiksi, mitä lähemmäs kaksi hiukkasta tuodaan. Puolita kahden sähkövarauksen välinen etäisyys ja voima nelinkertaistuu niiden välillä; puolita kahden massan välinen etäisyys ja voima saattaa jopa yli nelinkertaistua, kuten yleinen suhteellisuusteoria sanelee.
Mutta ota esimerkiksi kaksi kvarkkia, antikvarkkia tai kvarkki-antikvarkki-yhdistelmä ja puolita niiden välinen etäisyys, ja niitä yhteen sitovan vahvan ydinvoiman voimakkuus tekee jotain aivan muuta. Se ei nelinkertaistu. Se ei edes kaksinkertaistu. Sen sijaan niiden välinen voima laskee.
voiman vuorovaikutusvoima laskee nollaan. Suurilla etäisyyksillä se kasvaa nopeasti. Tämä on asymptoottisen vapauden idea, joka on kokeellisesti vahvistettu suurella tarkkuudella. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Tämä on outoa, mutta näin atomiytimet ja vahva ydinvoima todella toimivat. Tietyn etäisyyden alapuolella minkä tahansa kahden värilatauksen omaavan hiukkasen (kvarkit ja gluonit) välinen voima itse asiassa laskee nollaan, ja kasvaa vasta kun ne etääntyvät kauemmas toisistaan. Näihin hyvin varhaisiin aikoihin vallinneissa korkeissa lämpötiloissa ja tiheyksissä ydinvoima on liian heikko sitomaan mitään yhteen. Tämän seurauksena hiukkaset vain sinkoilevat ympäriinsä, törmäävät toisiinsa, luovat uusia hiukkasia ja annihiloituvat pois.
Mutta kun maailmankaikkeus laajenee, se sekä jäähtyy että tihenee. Ja ajan myötä massiivisempien hiukkasten tuottaminen vaikeutuu.
puhtaasta energiasta on täysin palautuva reaktio (oikealla), jossa aine/antimateria annihiloituu takaisin puhtaaksi energiaksi. Tämä E = mc^2:n mukaista E = mc^2:ta noudattava luomis- ja anihilaatioprosessi on ainoa tunnettu tapa luoda ja tuhota ainetta tai antiainetta. Pienillä energioilla hiukkas-antihiukkasluominen estyy. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
Lisäksi kevyimpiä kvarkkeja (up ja down sekä anti-up ja anti-down) ja kevyintä varattua leptonia (elektroni sekä positroni) lukuun ottamatta kaikki muut hiukkaset ovat epästabiileja radioaktiiviselle hajoamiselle. Kun pikosekunnit muuttuvat nanosekunneiksi ja nanosekunnit kasaantuvat mikrosekunneiksi, raskaampia hiukkasia ei enää synny ja ne katoavat maailmankaikkeudestamme. Ensimmäisenä katoavat pohjakvarkit/antipohjakvarkit, sitten tau- ja anti-tau-leptonit. Sitten häviävät viehätysvoima/anti-viehätysvoima-kvarkit ja sen jälkeen oudot/anti oudot kvarkit.
maailmankaikkeus määrittelee, milloin ja millaisissa olosuhteissa niitä voidaan luoda. Mitä massiivisempi hiukkanen on, sitä vähemmän aikaa se voi syntyä spontaanisti varhaisessa maailmankaikkeudessa. Fig. 15-04a from universe-review.ca
Kun häviää yhä enemmän hiukkas/antihiukkas-yhdistelmiä, ne synnyttävät yhä suurempia määriä kevyempiä hiukkas/antihiukkaspareja, joita voi vielä olla olemassa, mutta myös suurempia määriä fotoneja. Joka kerta, kun tuotamme kaksi fotonia hiukkasen/antihiukkasen annihilaatiosta, se hidastaa hiukan maailmankaikkeuden jäähtymistä. Maailmankaikkeus viilenee ja harvenee, mutta se myös muuttaa sitä, mitä siinä on. Alkuvaiheessa vain pieni mutta merkittävä osa hiukkasista on fotoneja, neutriinoja ja antineutriinoja. Mutta kun nämä hiukkaset alkavat kadota, nämä osuudet nousevat yhä suuremmiksi.
ja niiden antimateriahiukkaset olivat poikkeuksellisen runsaita, mutta universumin jäähtyessä suurin osa annihiloitui pois. Kaikki tavanomainen aine, jota meillä on nykyään jäljellä, on peräisin kvarkkien ja leptonien jäljiltä, kun taas kaikki se, mikä annihiloitui pois, loi lisää fotoneja, neutriinoja ja antineutriinoja. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Ja kun maailmankaikkeus jäähtyy entisestään, muonit ja antimuonit alkavat hajota pois, samaan aikaan kun ylös- ja alaspäin suuntautuvat kvarkit (sekä anti-up- ja anti-down-kvarkit) alkavat erkaantua toisistaan huomattaville etäisyyksille (femtometri: 10-15 m). Noin 10-20 mikrosekuntia alkuräjähdyksen jälkeen saavutetaan kriittinen lämpötila/tiheys-yhdistelmä. Olemme nyt jäähtyneet noin 2 biljoonan K:n (2 × 1012 K) lämpötilaan, ja nyt kvarkit ja antikvarkit ovat tarpeeksi kaukana toisistaan, jotta vahva voima alkaa olla merkittävä.
Aivan kuten venyttämätön jousi ei tunne voimaa, mutta venytetty jousi tuntee sen, kvarkit eivät tunne rajoittavaa voimaa ennen kuin ne saavuttavat tietyn etäisyyden. Mutta kun ne pääsevät sinne, niistä tulee sidottuja.
sen spin, mutta niin tekevät myös gluonit, merikvarkit ja antikvarkit sekä kiertokulmamomentti. Sähköstaattinen repulsio ja vetovoimainen vahva ydinvoima yhdessä antavat protonille sen koon. APS/Alan Stonebraker
Porrastetusti tapahtuu siirtymä: vapaista ylös-, alas-, anti-up- ja anti-down-kvarkkeista sidottuihin protoneihin, neutroneihin, antiprotoneihin ja anti-neutroneihin. Maailmankaikkeus on edelleen tarpeeksi kuuma synnyttääkseen uusia hiukkas-antihiukkas-yhdistelmiä, ja se synnytti paljon up/anti-up- ja down/anti-down-kvarkkiyhdistelmiä, kun asiat olivat tarpeeksi tiheitä.
Mutta nyt, kun ne eivät ole tarpeeksi tiheitä, ja meillä on niiden sijaan protoneja ja neutroneita (ja antiprotoneja ja anti-neutroneja), maailmankaikkeus ei ole tarpeeksi kuuma synnyttääkseen spontaanisti uusia protoni/antiprotoni- tai neutroni/anti-neutroni-pareja. Tämä tarkoittaa sitä, että kun protonit ja antiprotonit (tai neutronit ja antineutronit) löytävät toisensa, ne annihiloituvat pois, emmekä voi tehdä uusia.
antihiukkanen, se voi annihiloitua pois puhtaaksi energiaksi. Tämä tarkoittaa, että jos törmäytät mitkä tahansa kaksi hiukkasta tarpeeksi suurella energialla, voit luoda aine-antimateriaparin. Mutta jos maailmankaikkeus on tietyn energiakynnyksen alapuolella, voit vain annihiloitua, et luoda. Andrew Deniszczyc, 2017
Mitä siis tapahtuu, kun maailmankaikkeus jäähtyy tämän kriittisen vaiheen läpi, on seuraavaa:
- jäljelle jäävät vapaat kvarkit alkavat kokea rajoittumista ja muuttuvat protoneiksi, neutroneiksi, antiprotoneiksi, antineutroneiksi ja pioneiksi (epävakaat hiukkaset, jotka tunnetaan nimellä mesonit),
- mesonit hajoavat pois, kun taas antiprotonit ja antineutronit annihiloituvat protonien ja neutronien kanssa,
- ja näin meille jäävät vain protonit ja neutronit, vain siksi, että jossain aikaisemmassa vaiheessa maailmankaikkeus loi enemmän ainetta kuin antiainetta.
hiukkaset ja antihiukkaset hajoavat, kun taas aine-antimateriaparit annihiloituvat eivätkä fotonit voi enää törmätä toisiinsa riittävän suurilla energioilla luodakseen uusia hiukkasia. Mutta jäljelle jää aina hiukkasia, jotka eivät enää löydä antihiukkasten vastineita. Joko ne ovat stabiileja tai ne hajoavat, mutta molemmilla on seurauksia maailmankaikkeudellemme. E. Siegel
Viimein maailmankaikkeus alkaa muistuttaa jotain sellaista, jonka tunnistaisimme nykyään. Toki se on kuuma ja tiheä. Toki siellä ei ole atomeja tai edes atomiytimiä. Toki se on edelleen täynnä positroneja (elektronien antimaterian vastine) ja elektroneja, ja se luo ja tuhoaa niitä edelleen spontaanisti. Mutta suurin osa siitä, mikä on olemassa nyt, ehkä 25 mikrosekuntia kuuman alkuräjähdyksen alkamisen jälkeen, on edelleen olemassa jossain muodossa. Protoneista ja neutroneista tulee atomien rakennusaineita; neutriinoista ja antineutriinoista ja fotoneista tulee osa kosmista taustaa; jäljelle jäävät elektronit, jotka ovat olemassa, kun elektroni-positroniparit tuhoutuvat pois, yhdistyvät atomiytimiin ja mahdollistavat atomit, molekyylit ja monimutkaiset biokemialliset reaktiot.
(keltainen), d-orbitaaleissa (sininen) ja f-orbitaaleissa (vihreä) voi olla kussakin vain kaksi elektronia: yksi spin ylös ja yksi spin alas. Täytettyjen orbitaalien lukumäärä määräytyy atomin ytimen protonien lukumäärän mukaan. Ilman alkuvaiheen maailmankaikkeudessa syntyneitä protoneja mikään nykyisestä maailmankaikkeudestamme ei olisi mahdollista. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Mutta tässä vaiheessa suurin uusi asia, joka tapahtuu, on se, että hiukkaset eivät enää ole yksittäisiä ja vapaita kaikissa mittakaavoissa. Sen sijaan maailmankaikkeus on ensimmäistä kertaa luonut useiden hiukkasten vakaan, sidotun tilan. Protonissa on kaksi ylös- ja yksi alaspäin suuntautuvaa kvarkkia, jotka on sidottu gluonien avulla, kun taas neutroni on yksi ylös- ja kaksi alaspäin suuntautuvaa kvarkkia, jotka on sidottu gluonien avulla. Vain siksi, että olemme luoneet enemmän ainetta kuin antiainetta, meillä on maailmankaikkeus, jossa on jäljellä protoneja ja neutroneja; vain siksi, että Higgs antoi lepomassan perushiukkasille, saamme nämä sidotut, atomiytimet.
”Värivarauksen” olemassaolo ja gluonien vaihtuminen on vastuussa voimasta, joka pitää atomiytimet yhdessä. Wikimedia Commonsin käyttäjä Qashqaiilove
Vahvan voiman luonteesta ja valtavasta sidosenergiasta johtuen, joka syntyy näissä kvarkkien välisissä venytetyn jousen kaltaisissa vuorovaikutuksissa, protonin ja neutronin massat ovat noin sata kertaa painavampia kuin kvarkit, joista ne koostuvat. Higgs antoi massan maailmankaikkeudelle, mutta 99 prosenttia massastamme on peräisin supistumisesta. Ilman protoneja ja neutroneita maailmankaikkeutemme ei olisi koskaan samanlainen.
Lisätietoa siitä, millainen maailmankaikkeus oli silloin:
- Millaista oli, kun maailmankaikkeus paisui?
- Millaista oli, kun alkuräjähdys alkoi?
- Millaista oli, kun maailmankaikkeus oli kuumimmillaan?
- Millaista oli, kun maailmankaikkeus synnytti ensimmäisen kerran enemmän ainetta kuin antiainetta?
- Millaista oli, kun Higgs antoi massan maailmankaikkeudelle?
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.
