グルーオン、およびクォーク・スピンを示しています。 核力はバネのように作用し、伸びていないときは無視できる力だが、大きく引き伸ばすと大きな力が働く。 ブルックヘブン国立研究所
私たちの宇宙の歴史は、膨張と冷却を繰り返す宇宙の物語です。 高温で高密度の一様な状態から、低温でまばらな塊のような状態へと進むにつれて、宇宙の歴史の中でいくつもの重大な出来事が起こりました。 高温のビッグバンの瞬間、宇宙はあらゆる種類の超高エネルギー粒子、反粒子、放射線の量子で満たされ、光速またはそれに近い速度で動いていました。
一方、現在の宇宙は、星、銀河、ガス、塵、その他多くの、初期宇宙には存在しなかった低エネルギーに満ちた現象で埋め尽くされています。 ヒッグス粒子が宇宙に質量を与えるほど冷えれば、陽子や中性子がすぐにできると思うかもしれません。 しかし、それらはすぐには存在し得なかったのです。 853>
フリーで束縛されていないクォークグルーオンプラズマです。 より低い温度と密度では、より安定なハドロン：陽子と中性子があります。 BNL/RHIC
宇宙初期の熱の中で、基本粒子が静止質量を得た後、エネルギー的に可能なすべての粒子と反粒子の組み合わせが存在し、飛び出しては消えていく。
- クォークと反クォーク、
- レプトンと反レプトン、
- ニュートリノと反ニュートリノ、
- そしてゲージボゾン、
これらはすべてアインシュタインのE = mc2によって与えられた質量（m）のこれらの粒子を作り出すのに十分なエネルギー（E）がある限り存在するのである。
放射線が発生し、非常に高温で高密度だったため、陽子や中性子などのすべての複合粒子が、最初の1秒の数分の1の間、安定的に形成されるのを妨げたのです。 RHIC collaboration, Brookhaven
その代わりに、宇宙は非常に高温高密度で、私たちが持っているのはクォークグルーオンプラズマとして知られているものです。 この理由は、もしあなたが重力と電磁気しか知らないのなら、直感に反することです。 これらの力では、2つの粒子を近づければ近づけるほど、力の大きさが強くなります。 2 つの電荷の間の距離を半分にすると、それらの間の力は 4 倍になります。2 つの質量の間の距離を半分にすると、一般相対性理論が定めるように、力は 4 倍よりさらに大きくなるかもしれません。 4倍にはなりません。 2倍にもなりません。 その代わりに、両者の間の力は低下します。
力の相互作用の強さはゼロになります。 距離が大きくなると、急激に増加する。 これが漸近的自由度の考え方であり、実験的に高い精度で確認されている。 S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
これは奇妙ですが、原子核と強い核力は実際にこのように働いているのです。 ある距離以下では、色電荷を持つ任意の2つの粒子（クォークとグルーオン）の間の力は実際にはゼロになり、離れるにつれて大きくなるだけです。 このような非常に早い時期に存在した高温・高密度では、核力はあまりにも弱く、何かを結合させることはできない。 その結果、粒子は単に飛び回り、互いに衝突し、新しいものを作り、消滅した。
しかし、宇宙が膨張するにつれ、温度は下がり、密度は低くなる。
純粋なエネルギーからの反応は完全に可逆的で、物質/反物質は消滅して純粋なエネルギーに戻ります (右図)。 E = mc^2 に従うこの生成消滅過程は、物質や反物質を生成し、破壊する唯一の方法として知られています。 低エネルギーでは、粒子-反粒子の生成は抑制される。 Dmitri Pogosyan / University of Alberta
さらに、最も軽いクォーク（アップとダウン、それにアンチアップとアンチダウン）と最も軽い荷電レプトン（電子、それにポジトロン）を除いて、他のすべての粒子は放射性崩壊に対して不安定である。 ピコ秒がナノ秒になり、ナノ秒が積み重なってマイクロ秒になると、重い粒子は作られなくなり、私たちの宇宙から姿を消します。 ボトム/アンチボトムクォークが最初に消え、タウ/アンチタウレプトンがそれに続く。 次にチャーム/アンチチャームクォークが消え、ストレンジ/アンチストレンジクォークが続く。
宇宙は、いつ、どんな条件でそれらが作られるかを決めています。 質量の大きい粒子ほど、宇宙初期に自発的に生成される時間が短くなります。 Fig. 15-04a from universe-review.ca
粒子と反粒子の組み合わせがどんどん減っていくと、まだ存在できる軽い粒子と反粒子のペアがより多く作られますが、同時に光子もより多く作られるようになります。 粒子と反粒子の対消滅で2個の光子を生成するたびに、宇宙の冷却が少し遅くなるのです。 宇宙は冷えてまばらになっていきますが、その中にあるものも変化しています。 初期の段階では、周りにある粒子のうち、光子、ニュートリノ、反ニュートリノはほんのわずかですが、実質的な割合を占めています。 しかし、これらの粒子が消え始めると、これらの割合はどんどん高くなります。
とその反物質粒子は非常に豊富でしたが、宇宙が冷えるにつれて、大部分が消滅してしまったのです。 現在残っている通常の物質はすべてクォークとレプトンのものであり，消滅したものはすべて，より多くの光子，ニュートリノ，反ニュートリノを作り出しました。 E. Siegel / Beyond The Galaxy
そして宇宙がさらに冷えると、ミューオンと反ミューオンが崩壊し始め、同時に上下クォーク（と反上下クォーク）がかなりの距離（フェムトメーター：10-15m）まで分離し始めるのです。 ビッグバンから約10〜20マイクロ秒後、私たちは臨界温度と密度の組み合わせに到達します。 2兆K（2×1012K）程度の温度まで冷えて、クォークと反クォークが十分に離れて、強い力が実質的に働き始めるのです。
そのスピンもそうですが、グルーオンや海のクォーク、反クォーク、そして軌道角運動量もそうです。 静電的な反発と魅力的な強い核力が連動して、陽子にその大きさを与えているのです。 APS/Alan Stonebraker
徐々に、自由なアップ、ダウン、アンチアップ、アンチダウンクォークから、結合した陽子、中性子、反陽子、反中性子に移行していきます。
しかし、今は十分な密度がなく、代わりに陽子と中性子（および反陽子と反中性子）があるため、宇宙は新しい陽子/反陽子や中性子/反中性子のペアを自発的に作成できるほど熱くはないのだそうです。 つまり、陽子と反陽子（または中性子と反中性子）がお互いに出会うと、それらは消滅してしまい、新しいものを作ることはできません。
反粒子は、消滅して純粋なエネルギーになることができます。 つまり、どんな2つの粒子でも十分なエネルギーで衝突させれば、物質と反物質のペアを作ることができるのです。 しかし、宇宙があるエネルギー閾値以下であれば、消滅させるだけで、生成はできません。 Andrew Deniszczyc, 2017
では、この臨界期を経て宇宙が冷えるとどうなるかというと、次のようなことが起こります。
- 残りの自由なクォークは閉じ込められ始め、陽子、中性子、反陽子、反中性子、パイ中間子（中間子として知られる不安定粒子）になり、
- 中間子は崩壊してしまうのです。 反陽子と反中性子は陽子と中性子と対消滅し、
- 陽子と中性子だけになるのですが、これは宇宙が以前の段階で、反物質よりも多くの物質を作り出したからです。
粒子と反粒子は崩壊し、物質と反物質のペアは消滅し、光子は新しい粒子を作るほどの高いエネルギーで衝突できなくなりました。 しかし、反粒子の対応するものを見つけることができなくなった粒子は常に残っています。 それらは安定であるか、崩壊するかのどちらかですが、どちらも私たちの宇宙に影響を及ぼします。 E. シーゲル
ついに、宇宙は私たちが今日認識できるようなものに似てき始めました。 確かに、高温で高密度です。 確かに、原子も原子核さえもありません。 もちろん、陽電子（電子の反物質的存在）と電子の束で満たされ、それらを自発的に生成したり消滅させたりしていることは確かです。 しかし、高温のビッグバンが始まってからおそらく25マイクロ秒後に今存在するもののほとんどは、今日も何らかの形で存在している。 陽子と中性子は原子の構成要素となり、ニュートリノと反ニュートリノと光子は宇宙背景の一部となる。電子と陽電子のペアが消滅して残った電子が原子核と結合し、原子、分子、複雑な生化学反応を可能にするのである。
（黄色）、d軌道（青色）、f軌道（緑色）には、それぞれ2個ずつしか電子を入れることができず、スピンアップとスピンダウンが1個ずつ存在する。 軌道の数は原子核に含まれる陽子の数によって決まる。 宇宙初期に作られた陽子がなければ、現在の宇宙には何も存在しないのです。 Libretexts Library / NSF / UC Davis
しかし、この段階で起こる最大の新しいことは、粒子がもはやすべてのスケールで個別的かつ自由ではないということである。 その代わりに、宇宙は初めて、複数の粒子の安定した結合状態を作り出したのです。 陽子は2つのアップクォークと1つのダウンクォークがグルーオンで結合したものであり、中性子は1つのアップクォークと2つのダウンクォークがグルーオンで結合したものである。 反物質よりも物質を多く作ったからこそ、陽子と中性子が残った宇宙があり、ヒッグスが基本粒子に静止質量を与えたからこそ、結合した原子核が得られたのです。
「色の電荷」の存在とグルーオンの交換が、原子核を一つにまとめる力の原因になっています。 ウィキメディア・コモンズ利用者 Qashqaiilove
強い力の性質と、クォーク間の伸縮自在な相互作用で生じる膨大な結合エネルギーにより、陽子と中性子の質量は、それらを構成するクォークの約100倍も重くなるのです。 ヒッグスは宇宙に質量を与えましたが、私たちの質量の99%は閉じ込めによってもたらされているのです。 陽子と中性子がなければ、私たちの宇宙は決して同じものにはならないでしょう。
- 宇宙が膨張していたときはどうだったか。
- ビッグバンが最初に始まったときはどうだったか。
- 宇宙が最も熱かったときはどうだったか。
- ヒッグスが宇宙に質量を与えたとき、それはどのようなものだったのか？
