gluoni e spin di quark mostrato. La forza nucleare agisce come una molla, con una forza trascurabile quando non è tesa, ma grandi forze attrattive quando è tesa a grandi distanze. Brookhaven National Laboratory
La storia della nostra storia cosmica è quella di un universo in espansione e raffreddamento. Mentre progredivamo da uno stato caldo, denso e uniforme a uno freddo, rado e grumoso, una serie di eventi epocali si sono verificati nel corso della nostra storia cosmica. Al momento del Big Bang caldo, l’Universo era pieno di ogni sorta di particelle, antiparticelle e quanti di radiazione ad altissima energia, che si muovevano alla velocità della luce o quasi.
Oggi, invece, abbiamo un Universo pieno di stelle, galassie, gas, polvere e molti altri fenomeni che hanno un’energia troppo bassa per essere esistiti nel primo Universo. Una volta che le cose si sono raffreddate abbastanza da permettere all’Higgs di dare massa all’Universo, si potrebbe pensare che protoni e neutroni si sarebbero formati immediatamente. Ma non potevano esistere subito. Ecco la storia di come sono nati.
plasma di quark-gluoni libero e non legato. A temperature e densità più basse, abbiamo adroni molto più stabili: protoni e neutroni. BNL/RHIC
Nel calore del primo Universo, ma dopo che le particelle fondamentali hanno ottenuto una massa a riposo, abbiamo ogni combinazione particella-antiparticella energeticamente possibile che entra ed esce dall’esistenza. Ci sono:
- quark e antiquark,
- leptoni e antileptoni,
- neutrini e antineutrini,
- così come i bosoni di gauge,
tutti esistenti finché c’è abbastanza energia (E) per creare queste particelle di data massa (m) tramite E = mc2 di Einstein. Le particelle ottengono la massa appena 100 picosecondi (10-10 s) dopo l’inizio del Big Bang caldo, ma non ci sono ancora protoni o neutroni.
radiazione, ed era così caldo e denso che ha impedito a tutte le particelle composite, come protoni e neutroni di formarsi stabilmente per la prima frazione di secondo. Collaborazione RHIC, Brookhaven
Invece, l’Universo è così caldo e denso che quello che abbiamo è conosciuto come un plasma di quark-gluoni. La ragione di questo è controintuitiva, se le uniche forze con cui hai familiarità sono la gravità e l’elettromagnetismo. In questi casi, le forze diventano tanto più forti quanto più si avvicinano due particelle. Dimezza la distanza tra due cariche elettriche e la forza quadruplica tra loro; dimezza la distanza tra due masse e la forza potrebbe anche più che quadruplicare, come impone la Relatività Generale.
Ma prendi due quark, antiquark, o una combinazione quark-antiquark, per esempio, e dimezza la distanza tra loro, e la forza della forza nucleare forte che li lega insieme fa qualcosa di molto diverso. Non si quadruplica. Non raddoppia nemmeno. Invece, la forza tra di loro scende.
la forza di interazione della forza scende a zero. A grandi distanze, aumenta rapidamente. Questa è l’idea di libertà asintotica, che è stata confermata sperimentalmente con grande precisione. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
È strano, ma è così che funzionano i nuclei atomici e la forza nucleare forte. Al di sotto di una certa distanza, la forza tra due particelle con una carica di colore (quark e gluoni) scende effettivamente a zero, aumentando solo man mano che si allontanano. Alle alte temperature e densità presenti in questi primissimi tempi, la forza nucleare è troppo debole per legare qualcosa insieme. Di conseguenza, le particelle si limitano a sfrecciare, scontrandosi tra loro, creandone di nuove e annichilandosi.
Ma man mano che l’universo si espande, si raffredda e diventa meno denso. E con il passare del tempo, diventa più difficile creare le particelle più massicce.
dall’energia pura è una reazione completamente reversibile (a destra), con materia/antimateria che si annichilisce di nuovo in energia pura. Questo processo di creazione e annichilimento, che obbedisce a E = mc^2, è l’unico modo conosciuto per creare e distruggere materia o antimateria. A basse energie, la creazione di particelle-antiparticelle è soppressa. Dmitri Pogosyan / Università di Alberta
Inoltre, ad eccezione dei quark più leggeri (up e down, più anti-up e anti-down) e del leptone carico più leggero (l’elettrone, più il positrone), tutte le altre particelle sono instabili al decadimento radioattivo. Man mano che i picosecondi diventano nanosecondi, e i nanosecondi si accumulano in microsecondi, le particelle più pesanti smettono di essere create e spariscono dal nostro Universo. I quark inferiori/anti-fondi scompaiono per primi, seguiti dai leptoni tau e anti-tau. Poi spariscono i quark charm/anti-charm, seguiti dai quark strange/anti-strange.
l’Universo determina quando e in quali condizioni possono essere creati. Più una particella è massiccia, meno tempo può essere creata spontaneamente nell’Universo primordiale. Fig. 15-04a da universe-review.ca
Come perdiamo sempre più combinazioni di particelle/antiparticelle, esse creano un numero maggiore di coppie particelle/antiparticelle più leggere che possono ancora esistere, ma anche un numero maggiore di fotoni. Ogni volta che produciamo due fotoni dall’annichilazione di particelle/antiparticelle, questo rallenta un po’ il raffreddamento dell’Universo. L’Universo sta diventando più freddo e più scarso, ma sta anche cambiando ciò che c’è dentro. Nelle prime fasi, solo una piccola ma sostanziale percentuale delle particelle in giro sono fotoni, neutrini e antineutrini. Ma man mano che queste particelle iniziano a scomparire, queste frazioni aumentano sempre di più.
e le loro particelle di antimateria erano straordinariamente abbondanti, ma quando l’universo si è raffreddato, la maggior parte si è annichilita. Tutta la materia convenzionale che ci è rimasta oggi proviene dai quark e dai leptoni, mentre tutto ciò che si è annichilito ha creato più fotoni, neutrini e antineutrini. E. Siegel / Beyond The Galaxy
E mentre l’Universo si raffredda ancora di più, i muoni e gli anti-muoni iniziano a decadere, nello stesso momento in cui i quark up-and-down (più i quark anti-up e anti-down) iniziano a separarsi a distanze sostanziali (femtometro: 10-15 m). Circa 10-20 microsecondi dopo il Big Bang, abbiamo raggiunto una combinazione critica di temperatura/densità. Ora ci siamo raffreddati a una temperatura di circa 2 trilioni di K (2 × 1012 K), e ora i quark e gli antiquark sono abbastanza distanti che la forza forte inizia a diventare sostanziale.
Proprio come una molla non tesa non esercita una forza ma una molla tesa sì, i quark non sentono una forza di confinamento fino a raggiungere una certa distanza. Ma una volta che lo fanno, diventano legati.
il suo spin, ma anche i gluoni, i quark di mare e gli antiquark, e il momento angolare orbitale. La repulsione elettrostatica e la forza nucleare forte attrattiva, in tandem, sono ciò che dà al protone la sua dimensione. APS/Alan Stonebraker
Gradualmente, facciamo la transizione: dai quark liberi up, down, anti-up e anti-down ai protoni, neutroni, anti-protoni e anti-neutroni legati. L’Universo è ancora abbastanza caldo da creare nuove combinazioni particella-antiparticella, e stava facendo molte combinazioni quark up/anti-up e down/anti-down quando le cose erano abbastanza dense.
Ma ora che non sono abbastanza dense, e abbiamo protoni e neutroni (e anti-protoni e anti-neutroni) invece, l’Universo non è abbastanza caldo da creare spontaneamente nuove coppie protone/anti-protone o neutrone/anti-neutrone. Ciò significa che quando protoni e anti-protoni (o neutroni e anti-neutroni) si trovano l’un l’altro, si annichiliscono, e non possiamo crearne di nuovi.
antiparticella, può annichilirsi in pura energia. Questo significa che se si fanno collidere due particelle qualsiasi con abbastanza energia, si può creare una coppia materia-antimateria. Ma se l’universo è al di sotto di una certa soglia di energia, si può solo annichilire, non creare. Andrew Deniszczyc, 2017
Quello che succede, quindi, mentre l’Universo si raffredda attraverso questo stadio critico è il seguente:
- i quark rimasti liberi cominciano a sperimentare il confinamento, diventando protoni, neutroni, anti-protoni, anti-neutroni e pioni (particelle instabili note come mesoni),
- i mesoni decadono, mentre gli anti-protoni e gli anti-neutroni si annichilano con i protoni e i neutroni,
- e questo ci lascia solo protoni e neutroni, solo perché in qualche fase precedente l’Universo ha creato più materia che antimateria.
particelle e antiparticelle decadono, mentre le coppie materia-antimateria si annichilano e i fotoni non possono più collidere ad energie abbastanza alte da creare nuove particelle. Ma ci saranno sempre particelle rimaste che non possono più trovare le loro controparti antiparticelle. O sono stabili o decadono, ma entrambi hanno conseguenze per il nostro Universo. E. Siegel
Finalmente, l’Universo comincia ad assomigliare a qualcosa che riconosciamo oggi. Certo, è caldo e denso. Certo, non ci sono atomi e nemmeno nuclei atomici. Certo, è ancora pieno di un mucchio di positroni (la controparte antimateria degli elettroni) e di elettroni, e li sta ancora creando e annichilendo spontaneamente. Ma la maggior parte di ciò che esiste ora, forse 25 microsecondi dopo l’inizio del Big Bang caldo, esiste ancora oggi in qualche forma. I protoni e i neutroni diventeranno i mattoni degli atomi; i neutrini e gli antineutrini e i fotoni diventeranno parte del fondo cosmico; gli elettroni rimasti che esisteranno quando le coppie elettrone/positrone si annichiliranno si combineranno con i nuclei atomici per rendere possibili atomi, molecole e complesse reazioni biochimiche.
(giallo), gli orbitali d (blu) e gli orbitali f (verde) possono contenere solo due elettroni ciascuno: uno spin up e uno spin down in ciascuno. Il numero di orbitali riempiti è determinato dal numero di protoni nel nucleo di un atomo. Senza i protoni creati nel primo Universo, niente di ciò che abbiamo oggi nel nostro Universo sarebbe possibile. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Ma in questa fase, la più grande novità che si verifica è che le particelle non sono più individuali e libere su tutte le scale. Invece, per la prima volta, l’Universo ha creato uno stato stabile e legato di più particelle. Un protone è due quark up e uno down, legati da gluoni, mentre un neutrone è un quark up e due down, legati da gluoni. Solo perché abbiamo creato più materia che antimateria abbiamo un Universo che ha protoni e neutroni rimasti; solo perché l’Higgs ha dato massa a riposo alle particelle fondamentali abbiamo questi nuclei atomici legati.
l’esistenza della ‘carica di colore’ e lo scambio di gluoni, è responsabile della forza che tiene insieme i nuclei atomici. Wikimedia Commons user Qashqaiilove
A causa della natura della forza forte e dell’enorme energia di legame che si verifica in queste interazioni tra i quark, le masse del protone e del neutrone sono circa 100 volte più pesanti dei quark che li compongono. L’Higgs ha dato massa all’Universo, ma il confinamento è ciò che ci dà il 99% della nostra massa. Senza protoni e neutroni, il nostro Universo non sarebbe lo stesso.
Ulteriori letture su come era l’Universo quando:
- Come era quando l’Universo si stava gonfiando?
- Come era quando è iniziato il Big Bang?
- Come era quando l’Universo era al suo massimo calore?
- Come era quando l’Universo ha creato più materia che antimateria?
- Come è stato quando l’Higgs ha dato massa all’Universo?
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