gluony i spin kwarków. Siła jądrowa działa jak sprężyna, ze znikomą siłą, gdy jest nierozciągnięta, ale dużą, przyciągającą siłą, gdy jest rozciągnięta na duże odległości. Brookhaven National Laboratory
Historia naszego kosmosu jest historią rozszerzającego się i stygnącego Wszechświata. W miarę jak przechodziliśmy od gorącego, gęstego, jednolitego stanu do zimnego, rzadkiego, zbitego, w naszej kosmicznej historii miało miejsce wiele doniosłych wydarzeń. W momencie gorącego Wielkiego Wybuchu, Wszechświat był wypełniony wszelkiego rodzaju ultra-wysokoenergetycznymi cząstkami, antycząstkami i kwantami promieniowania, poruszającymi się z prędkością bliską prędkości światła.
Z drugiej strony, dzisiaj mamy Wszechświat wypełniony gwiazdami, galaktykami, gazem, pyłem i wieloma innymi zjawiskami, które mają zbyt niską energię, aby mogły istnieć we wczesnym Wszechświecie. Kiedy wszystko ostygło na tyle, że Higgs nadał masę Wszechświatowi, można by pomyśleć, że natychmiast powstałyby protony i neutrony. Ale nie mogły one istnieć od razu. Oto historia tego, jak powstały.
wolna, niezwiązana, kwarkowo-gluonowa plazma. W niższych temperaturach i gęstościach mamy znacznie bardziej stabilne hadrony: protony i neutrony. BNL/RHIC
W cieple wczesnego Wszechświata, ale po tym jak podstawowe cząstki uzyskały masę spoczynkową, mamy każdą energetycznie możliwą kombinację cząstka-antycząstka wpadającą i wypadającą z istnienia. Istnieją:
- kwarki i antykwarki,
- leptony i antyleptony,
- neutrina i antyneutrina,
- jak również bozony miernicze,
wszystkie one istnieją tak długo, jak długo istnieje wystarczająca ilość energii (E) do stworzenia tych cząstek o danych masach (m) poprzez Einsteinowskie E = mc2. Cząstki uzyskują masę zaledwie 100 pikosekund (10-10 s) po rozpoczęciu gorącego Wielkiego Wybuchu, ale nie ma jeszcze protonów ani neutronów.
promieniowanie i było tak gorące i gęste, że uniemożliwiło stabilne formowanie się wszystkich cząstek złożonych, takich jak protony i neutrony, przez pierwszy ułamek sekundy. RHIC collaboration, Brookhaven
Zamiast tego, Wszechświat jest tak gorący i gęsty, że to, co mamy, znane jest jako plazma kwarkowo-gluonowa. Powód tego jest sprzeczny z intuicją, jeśli jedynymi siłami, które znasz są grawitacja i elektromagnetyzm. W tych przypadkach siły stają się tym silniejsze, im bardziej zbliżamy do siebie dwie cząstki. Zmniejsz o połowę odległość między dwoma ładunkami elektrycznymi, a siła między nimi wzrośnie czterokrotnie; zmniejsz o połowę odległość między dwiema masami, a siła może nawet wzrosnąć więcej niż czterokrotnie, jak nakazuje Ogólna Teoria Względności.
Ale weź dwa kwarki, antykwarki lub kombinację kwark-antykwark, na przykład, i zmniejsz o połowę odległość między nimi, a siła silnej siły jądrowej, która je wiąże, robi coś zupełnie innego. Nie wzrasta czterokrotnie. Nawet nie podwaja się. Zamiast tego siła między nimi spada.
siła oddziaływania siły spada do zera. Przy dużych odległościach gwałtownie wzrasta. Jest to idea asymptotycznej swobody, która została z dużą dokładnością potwierdzona doświadczalnie. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
To jest dziwne, ale tak właśnie działają jądra atomowe i silna siła jądrowa. Poniżej pewnej odległości siła pomiędzy dowolnymi dwoma cząstkami z ładunkiem kolorowym (kwarkami i gluonami) spada do zera i rośnie w miarę oddalania się od siebie. W wysokich temperaturach i gęstościach występujących w tych bardzo wczesnych czasach siła jądrowa jest zbyt słaba, aby cokolwiek związać ze sobą. W rezultacie cząstki po prostu skaczą wokół siebie, zderzając się ze sobą, tworząc nowe i anihilując się.
Ale w miarę rozszerzania się Wszechświata, zarówno chłodzi się on, jak i staje się mniej gęsty. A w miarę upływu czasu coraz trudniej jest wytworzyć bardziej masywne cząstki.
z czystej energii jest reakcją całkowicie odwracalną (w prawo), przy czym materia/antymateria anihiluje z powrotem do czystej energii. Ten proces tworzenia i anihilacji, zgodny z zasadą E = mc^2, jest jedynym znanym sposobem tworzenia i niszczenia materii lub antymaterii. Przy niskich energiach tworzenie cząstek-antycząstek jest tłumione. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
W dodatku, z wyjątkiem najlżejszych kwarków (górnego i dolnego oraz antygórnego i antydolnego) i najlżejszego naładowanego leptonu (elektronu oraz pozytonu), wszystkie inne cząstki są niestabilne na rozpad promieniotwórczy. W miarę jak pikosekundy zamieniają się w nanosekundy, a nanosekundy w mikrosekundy, cięższe cząstki przestają być tworzone i znikają z naszego Wszechświata. Jako pierwsze znikają kwarki dolne/anty-dolne, następnie leptony tau i antytau. Następnie odchodzą kwarki charm/antycharm, a po nich kwarki dziwne/antydziwne.
Wszechświat określa, kiedy i w jakich warunkach mogą one powstawać. Im bardziej masywna jest cząstka, tym krócej może spontanicznie powstawać we wczesnym Wszechświecie. Rys. 15-04a z universe-review.ca
As we lose more more more particle/antiparticle combinations, they create greater numbers of the lighter particle/antiparticle pairs that still can exist, but also greater numbers of photons. Za każdym razem, gdy produkujemy dwa fotony z anihilacji cząstek/antycząstek, spowalnia to nieco ochładzanie Wszechświata. Wszechświat staje się chłodniejszy i bardziej rozproszony, ale zmienia się również to, co się w nim znajduje. We wczesnych stadiach tylko niewielki, ale znaczący procent cząstek wokół to fotony, neutrina i antyneutrina. Ale w miarę jak te cząstki zaczynają znikać, te ułamki rosną coraz wyżej.
i ich cząstki antymaterii były niezwykle obfite, ale w miarę ochładzania się Wszechświata większość z nich uległa anihilacji. Cała konwencjonalna materia, jaka nam dziś pozostała, pochodzi od kwarków i leptonów, podczas gdy wszystko, co uległo anihilacji, stworzyło więcej fotonów, neutrin i antyneutrin. E. Siegel / Beyond The Galaxy
A gdy Wszechświat ochładza się jeszcze bardziej, miony i antymiony zaczynają się rozpadać, w tym samym czasie kwarki góra-dół (oraz kwarki anty-góra i anty-dół) zaczynają się rozdzielać na znaczne (femtometrowe: 10-15 m) odległości. Około 10-20 mikrosekund po Wielkim Wybuchu osiągnęliśmy krytyczną kombinację temperatury i gęstości. Ochłodziliśmy się do temperatury około 2 bilionów K (2 × 1012 K), a teraz kwarki i antykwarki są na tyle od siebie oddalone, że siła silna zaczyna być znacząca.
Podobnie jak nierozciągnięta sprężyna nie wywiera siły, ale rozciągnięta już tak, kwarki nie czują siły ograniczającej, dopóki nie osiągną pewnej odległości. Ale kiedy już to zrobią, stają się związane.
swój spin, ale tak samo gluony, kwarki morskie i antykwarki, a także orbitalny moment pędu. Odpychanie elektrostatyczne i przyciągające silne siły jądrowe, w tandemie, nadają protonowi jego rozmiary. APS/Alan Stonebraker
Stopniowo dokonujemy przejścia: od swobodnych kwarków górnych, dolnych, antygórnych i antydolnych do związanych protonów, neutronów, antyprotonów i antyneutronów. Wszechświat jest wciąż wystarczająco gorący, aby tworzyć nowe kombinacje cząstka-antycząstka, i tworzył wiele kombinacji kwarków góra/anty-góra i dół/anty-dół, kiedy rzeczy były wystarczająco gęste.
Ale teraz, kiedy nie są wystarczająco gęste i mamy protony i neutrony (oraz antyprotony i antyneutrony) zamiast nich, Wszechświat nie jest wystarczająco gorący, aby spontanicznie tworzyć nowe pary proton/antyproton lub neutron/antyneutron. Oznacza to, że gdy protony i antyprotony (lub neutrony i antyneutrony) znajdą się nawzajem, to anihilują, a my nie możemy wytworzyć nowych
antycząstek, to mogą one anihilować w czystą energię. Oznacza to, że jeśli zderzysz ze sobą dwie dowolne cząstki z wystarczającą energią, możesz utworzyć parę materia-antymateria. Ale jeśli Wszechświat jest poniżej pewnego progu energetycznego, można tylko anihilować, a nie tworzyć. Andrzej Deniszczyc, 2017
Co się zatem dzieje, gdy Wszechświat ochładza się przez ten krytyczny etap, jest następujące:
- pozostałe wolne kwarki zaczynają doświadczać uwięzienia, stając się protonami, neutronami, antyprotonami, antyneutronami i pionami (niestabilne cząstki znane jako mezony),
- mezony rozpadają się, podczas gdy antyprotony i antyneutrony anihilują z protonami i neutronami,
- i to pozostawia nas z samymi protonami i neutronami, tylko dlatego, że na jakimś wcześniejszym etapie, Wszechświat stworzył więcej materii niż antymaterii.
cząstki i antycząstki rozpadają się, podczas gdy pary materia-antymateria anihilują, a fotony nie mogą już zderzać się przy wystarczająco wysokich energiach, aby tworzyć nowe cząstki. Ale zawsze pozostaną cząstki, które nie mogą już znaleźć swoich antycząsteczkowych odpowiedników. Albo są stabilne, albo się rozpadają, ale oba te zjawiska mają konsekwencje dla naszego Wszechświata. E. Siegel
W końcu Wszechświat zaczyna przypominać coś, co rozpoznalibyśmy dzisiaj. Jasne, jest gorący i gęsty. Jasne, nie ma atomów ani nawet żadnych jąder atomowych. Jasne, wciąż jest wypełniony zgrają pozytonów (antymaterii będącej odpowiednikiem elektronów) i elektronów, i wciąż spontanicznie je tworzy i unicestwia. Ale większość z tego, co istnieje teraz, być może 25 mikrosekund po rozpoczęciu gorącego Wielkiego Wybuchu, nadal istnieje w jakiejś formie dzisiaj. Protony i neutrony staną się budulcem atomów; neutrina i antyneutrina oraz fotony staną się częścią kosmicznego tła; resztki elektronów, które będą istnieć, gdy pary elektron/pozyton anihilują, połączą się z jądrami atomowymi, aby umożliwić powstanie atomów, cząsteczek i złożonych reakcji biochemicznych.
(żółty), orbitale d (niebieski) i orbitale f (zielony) mogą zawierać tylko dwa elektrony każdy: jeden spin w górę i jeden spin w dół w każdym z nich. Liczba zapełnionych orbitali zależy od liczby protonów w jądrze atomu. Bez protonów powstałych we wczesnym Wszechświecie nic z tego, co mamy dziś w naszym Wszechświecie, nie byłoby możliwe. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Ale na tym etapie, największą nową rzeczą, która się pojawia jest to, że cząstki nie są już indywidualne i wolne we wszystkich skalach. Zamiast tego, po raz pierwszy, Wszechświat stworzył stabilny, związany stan wielu cząstek. Proton to dwa kwarki górne i jeden dolny, związane gluonami, a neutron to jeden kwark górny i dwa dolne, związane gluonami. Tylko dlatego, że stworzyliśmy więcej materii niż antymaterii, mamy Wszechświat, w którym pozostały protony i neutrony; tylko dlatego, że Higgs nadał masę spoczynkową podstawowym cząstkom, mamy te związane jądra atomowe.
istnienie „ładunku koloru” i wymiana gluonów, jest odpowiedzialna za siłę, która trzyma jądra atomowe razem. Wikimedia Commons użytkownik Qashqaiilove
Zgodnie z naturą siły silnej i ogromnej energii wiązania, która występuje w tych rozciągło-sprężystych oddziaływaniach pomiędzy kwarkami, masy protonu i neutronu są około 100 razy cięższe niż kwarki, które je tworzą. Higgs nadał masę Wszechświatowi, ale to właśnie uwięzienie jest tym, co daje nam 99% naszej masy. Bez protonów i neutronów nasz Wszechświat nigdy nie byłby taki sam.
Dalsze lektury na temat tego, jak wyglądał Wszechświat, kiedy:
- Jak to było, gdy Wszechświat się nadymał?
- Jak to było, gdy po raz pierwszy rozpoczął się Wielki Wybuch?
- Jak to było, gdy Wszechświat był najgorętszy?
- Jak to było, gdy Wszechświat po raz pierwszy stworzył więcej materii niż antymaterii?
- Jak to było, gdy cząstka Higgsa nadała masę Wszechświatowi?
Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub inne moje prace tutaj.
