gluonok, és a kvarkok spinje látható. A nukleáris erő úgy viselkedik, mint egy rugó, amelynek ereje elhanyagolható, amikor nincs kifeszítve, de nagy, vonzó erővel bír, amikor nagy távolságokra feszül. Brookhaven National Laboratory
Kozmikus történelmünk története egy táguló és hűlő Univerzum története. Ahogy egy forró, sűrű, egységes állapotból egy hideg, ritkás, rögös állapotba jutottunk, kozmikus történelmünk során számos jelentős esemény történt. A forró ősrobbanás pillanatában az Univerzum tele volt mindenféle ultranagy energiájú részecskékkel, antirészecskékkel és sugárzáskvantumokkal, amelyek a fénysebességgel vagy annak közelében mozogtak.
A mai Univerzumunk viszont tele van csillagokkal, galaxisokkal, gázzal, porral és sok más olyan jelenséggel, amelyek túl alacsony energiájúak ahhoz, hogy a korai Univerzumban létezhettek volna. Amint a dolgok eléggé lehűltek ahhoz, hogy a Higgs tömeget adjon az Univerzumnak, azt gondolhatnánk, hogy azonnal protonok és neutronok alakulnak ki. De ezek nem létezhettek azonnal. Íme a történet, hogyan jöttek létre.
szabad, nem kötött, kvark-gluon plazma. Alacsonyabb hőmérsékleten és sűrűségen sokkal stabilabb hadronok vannak: protonok és neutronok. BNL/RHIC
A korai Univerzum hőjében, de miután az alaprészecskék nyugalmi tömeget szereztek, minden olyan részecske-antirészecske kombináció, amely energetikailag lehetséges, ki-be pukkan a létezésből. Vannak:
- kvarkok és antikvarkok,
- leptonok és antileptonok,
- neutrínók és antineutrínók,
- mindaddig léteznek,
mindaddig, amíg van elég energia (E), hogy ezeket az adott tömegű (m) részecskéket Einstein E = mc2-je révén létrehozzák. A részecskék mindössze 100 pikoszekundummal (10-10 s) a forró ősrobbanás kezdete után kapnak tömeget, de még nincsenek protonok és neutronok.
sugárzás, és olyan forró és sűrű volt, hogy a másodperc első töredékéig megakadályozta minden összetett részecske, mint a protonok és neutronok stabil kialakulását. RHIC kollaboráció, Brookhaven
Ehelyett az Univerzum olyan forró és sűrű, hogy azt, amivel rendelkezünk, kvark-gluon plazmának nevezzük. Ennek oka ellentmondásos, ha az egyetlen erő, amit ismerünk, a gravitáció és az elektromágnesesség. Ezekben az esetekben az erők annál erősebbek, minél közelebb viszünk két részecskét egymáshoz. Ha megfelezzük a távolságot két elektromos töltés között, az erő megnégyszereződik közöttük; ha megfelezzük a távolságot két tömeg között, az erő még több mint négyszeresére nőhet, ahogy azt az általános relativitáselmélet diktálja.
De vegyünk például két kvarkot, antikvarkot vagy egy kvark-antikvark kombinációt, és felezzük meg a köztük lévő távolságot, és az őket összekötő erős magerő ereje valami egészen mást tesz. Nem négyszeresére nő. Még csak meg sem duplázódik. Ehelyett a köztük lévő erő csökken.
az erő kölcsönhatási ereje nullára csökken. Nagy távolságoknál gyorsan növekszik. Ez az aszimptotikus szabadság gondolata, amelyet kísérletileg nagy pontossággal igazoltak. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Ez furcsa, de valójában így működnek az atommagok és az erős magerő. Egy bizonyos távolság alatt bármely két színtöltéssel rendelkező részecske (kvarkok és gluonok) közötti erő valójában nullára csökken, és csak növekszik, ahogy távolodnak egymástól. A nagyon korai időkben uralkodó magas hőmérsékleten és sűrűségen a magerő túl gyenge ahhoz, hogy bármit is összekapcsoljon. Ennek eredményeképpen a részecskék egyszerűen csak ugrálnak, ütköznek egymással, újakat hoznak létre és megsemmisülnek.
De ahogy az Univerzum tágul, úgy hűl és csökken a sűrűsége. És ahogy telik az idő, egyre nehezebb lesz a nagyobb tömegű részecskéket létrehozni.
a tiszta energiából egy teljesen reverzibilis reakció (jobbra), az anyag/antianyag megsemmisül vissza tiszta energiává. Ez az E = mc^2-nek engedelmeskedő keletkezési és megsemmisülési folyamat az egyetlen ismert módja az anyag vagy antianyag létrehozásának és megsemmisítésének. Alacsony energiáknál a részecske-antirészecske teremtés elnyomott. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
A legkönnyebb kvarkok (up és down, plusz anti-up és anti-down) és a legkönnyebb töltött leptonok (az elektron, plusz a pozitron) kivételével az összes többi részecske instabil a radioaktív bomlásra. Ahogy a pikoszekundumok nanoszekundumokká, a nanoszekundumok pedig mikroszekundumokká halmozódnak, a nehezebb részecskék nem keletkeznek tovább, és eltűnnek az Univerzumunkból. Először az alsó/anti-alsó kvarkok tűnnek el, majd a tau és az anti-tau leptonok. Aztán eltűnnek a charm/anti-charm kvarkok, majd a furcsa/anti-szokatlan kvarkok.
az Univerzum határozza meg, hogy mikor és milyen körülmények között jöhetnek létre. Minél nagyobb tömegű egy részecske, annál rövidebb ideig tud spontán létrejönni a korai Univerzumban. 15-04a ábra a universe-review.ca
Amint egyre több részecske/antirészecske kombináció veszik el, egyre több könnyebb, még létezni képes részecske/antirészecske párt hoznak létre, de egyre több fotont is. Minden alkalommal, amikor két fotont hozunk létre részecske/antirészecske annihilációból, az egy kicsit lelassítja az Univerzum lehűlését. Az Univerzum egyre hűvösebb és ritkább lesz, de az is változik, hogy mi van benne. A korai szakaszban a körülötte lévő részecskéknek csak egy kis, de jelentős százaléka foton, neutrínó és antineutrínó. De ahogy ezek a részecskék kezdenek eltűnni, ezek a frakciók egyre magasabbra emelkednek.
és antianyag részecskéi rendkívül bőségesek voltak, de ahogy az Univerzum lehűlt, a többségük megsemmisült. Minden hagyományos anyag, ami ma megmaradt, a kvarkokból és leptonokból származik, míg minden, ami annihilálódott, újabb fotonokat, neutrínókat és antineutrínókat hozott létre. E. Siegel / Beyond The Galaxy
És ahogy az Univerzum még jobban lehűl, a müonok és az antimüonok elkezdenek szétesni, ugyanakkor a fel- és lefelé irányuló kvarkok (valamint az antifel- és antilefelé irányuló kvarkok) jelentős (femtométeres: 10-15 m) távolságokra kezdenek szétválni. Körülbelül 10-20 mikroszekundummal az ősrobbanás után elérjük a kritikus hőmérséklet/sűrűség kombinációt. Mostanra körülbelül 2 billió K (2 × 1012 K) hőmérsékletre hűltünk le, és most már a kvarkok és az antikvarkok elég messze vannak egymástól ahhoz, hogy az erős erő kezd jelentős lenni.
Ahogyan egy kifeszítetlen rugó nem fejt ki erőt, de egy kifeszített rugó igen, a kvarkok sem éreznek behatároló erőt, amíg el nem érnek egy bizonyos távolságot. De amint ezt elérik, kötötté válnak.
a spinjét, de a gluonok, a tengeri kvarkok és antikvarkok is, és a keringési szögimpulzus is. Az elektrosztatikus taszítás és a vonzó erős magerő együttesen adják a proton méretét. APS/Alan Stonebraker
Az átmenet fokozatosan megy végbe: a szabad up, down, anti-up és anti-down kvarkoktól a kötött protonok, neutronok, anti-protonok és anti-neutronok felé. Az Univerzum még mindig elég forró ahhoz, hogy új részecske-antirészecske kombinációkat hozzon létre, és sok up/anti-up és down/anti-down kvark kombinációt hozott létre, amikor a dolgok elég sűrűek voltak.
De most, hogy nem elég sűrűek, és helyettük protonok és neutronok (és anti-protonok és anti-neutronok) vannak, az Univerzum nem elég forró ahhoz, hogy spontán új proton/anti-proton vagy neutron/anti-neutron párokat hozzon létre. Ez azt jelenti, hogy amikor a protonok és antiprotonok (vagy neutronok és antineutronok) egymásra találnak, megsemmisülnek, és nem tudunk újakat létrehozni.
antirészecske, az tiszta energiává tud megsemmisülni. Ez azt jelenti, hogy ha elég energiával ütköztetünk össze két bármilyen részecskét, akkor létre tudunk hozni egy anyag-antianyag párt. De ha az Univerzum egy bizonyos energiaküszöb alatt van, akkor csak annihilálni lehet, létrehozni nem. Andrew Deniszczyc, 2017
Az, ami tehát történik, ahogy az Univerzum lehűl ezen a kritikus szakaszon keresztül, a következő:
- a megmaradt szabad kvarkok elkezdik megtapasztalni a bezártságot, protonokká, neutronokká, antiprotonokká, antineutronokká és pionokká (instabil részecskék, amelyeket mezonoknak neveznek),
- a mezonok elbomlanak, míg az antiprotonok és antineutronok annihilálódnak a protonokkal és neutronokkal,
- és így csak protonok és neutronok maradnak, csak azért, mert valamikor korábban az Univerzum több anyagot hozott létre, mint antianyagot.
részecskék és antirészecskék bomlanak, miközben az anyag-antianyag párok megsemmisülnek, és a fotonok már nem tudnak elég nagy energiával ütközni ahhoz, hogy új részecskéket hozzanak létre. De mindig maradnak olyan részecskék, amelyek már nem találják meg antirészecske párjukat. Vagy stabilak, vagy bomlanak, de mindkettőnek következményei vannak az Univerzumunkra nézve. E. Siegel
Az Univerzum végre kezd hasonlítani valamire, amit ma felismernénk. Persze, forró és sűrű. Persze, nincsenek atomok vagy akár atommagok. Persze, még mindig tele van egy csomó pozitronnal (az elektronok antianyag megfelelője) és elektronnal, és még mindig spontán létrehozza és megsemmisíti őket. De a legtöbb, ami most, talán 25 mikroszekundummal a forró ősrobbanás kezdete után létezik, valamilyen formában ma is létezik. A protonok és neutronok az atomok építőköveivé válnak; a neutrínók és antineutrínók és fotonok a kozmikus háttér részévé válnak; a megmaradt elektronok, amelyek az elektron-pozitron párok megsemmisülése után létezni fognak, egyesülnek az atommagokkal, hogy atomokat, molekulákat és összetett biokémiai reakciókat tegyenek lehetővé.
(sárga), a d-orbitálisok (kék) és az f-orbitálisok (zöld) egyenként csak két elektront tartalmazhatnak: egy-egy spin felfelé és egy-egy spin lefelé. A kitöltött pályák számát az atommagban lévő protonok száma határozza meg. A korai világegyetemben keletkezett protonok nélkül semmi sem lenne lehetséges abból, ami ma a világegyetemünkben van. Libretexts Library / NSF / UC Davis
De ebben a szakaszban a legnagyobb újdonság az, hogy a részecskék már nem egyediek és szabadok minden skálán. Ehelyett az Univerzum először hozta létre több részecske stabil, kötött állapotát. A proton két felfelé és egy lefelé irányuló kvark, gluonok által kötve, míg a neutron egy felfelé és két lefelé irányuló kvark, gluonok által kötve. Csak azért, mert több anyagot hoztunk létre, mint antianyagot, van olyan Univerzumunk, amelyben protonok és neutronok maradtak; csak azért, mert a Higgs nyugalmi tömeget adott az alapvető részecskéknek, kapjuk ezeket a kötött, atommagokat.
a “színtöltés” létezése és a gluonok cseréje felelős az erőért, amely az atommagokat összetartja. Wikimedia Commons felhasználó Qashqaiilove
Az erős erő természetének és a kvarkok között ezekben a kifeszített rugószerű kölcsönhatásokban fellépő óriási kötési energiának köszönhetően a proton és a neutron tömege mintegy százszor nehezebb, mint az őket alkotó kvarkoké. A Higgs adott tömeget az Univerzumnak, de a tömegünk 99%-át a bezártság adja. Protonok és neutronok nélkül az Univerzumunk soha nem lenne ugyanaz.
További olvasnivaló arról, hogy milyen volt az Univerzum, amikor:
- Milyen volt, amikor az Univerzum felfúvódott?
- Milyen volt, amikor az ősrobbanás először kezdődött?
- Milyen volt, amikor az Univerzum a legforróbb volt?
- Milyen volt, amikor az Univerzum először hozott létre több anyagot, mint antianyagot?
- Milyen volt, amikor a Higgs tömeget adott az Univerzumnak?
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.
