gluonen, en quark spin afgebeeld. De kernkracht werkt als een veer, met verwaarloosbare kracht wanneer hij niet is uitgerekt, maar grote, aantrekkelijke krachten wanneer hij over grote afstanden is uitgerekt. Brookhaven National Laboratory
Het verhaal van onze kosmische geschiedenis is er een van een uitdijend en afkoelend heelal. Terwijl we van een hete, dichte, uniforme toestand naar een koude, schaarse, klonterige toestand evolueerden, gebeurden er een aantal gedenkwaardige gebeurtenissen in onze kosmische geschiedenis. Op het moment van de hete oerknal was het heelal gevuld met allerlei ultra-hoogenergetische deeltjes, antideeltjes, en quanta van straling, die zich bewogen met de snelheid van het licht of daar dicht bij in de buurt.
Aan de andere kant hebben we vandaag een heelal vol sterren, sterrenstelsels, gas, stof, en veel andere verschijnselen die te laag in energie zijn om in het vroege heelal te hebben bestaan. Toen het eenmaal zo was afgekoeld dat de Higgs massa aan het heelal had gegeven, zou je denken dat er onmiddellijk protonen en neutronen zouden ontstaan. Maar ze konden niet meteen bestaan. Hier is het verhaal van hoe ze ontstonden.
vrij, ongebonden, quark-gluon plasma. Bij lagere temperaturen en dichtheden hebben we veel stabielere hadronen: protonen en neutronen. BNL/RHIC
In de hitte van het vroege heelal, maar nadat de fundamentele deeltjes een rustmassa hebben gekregen, hebben we elke deeltjes-antideeltjescombinatie die energetisch mogelijk is, die in en uit het bestaan springt. Er zijn:
- quarks en antiquarks,
- leptonen en antileptonen,
- neutrino’s en antineutrino’s,
- evenals de ijkbosonen,
die allemaal bestaan zolang er genoeg energie (E) is om deze deeltjes met gegeven massa (m) te creëren via Einsteins E = mc2. Deeltjes krijgen massa slechts 100 picoseconden (10-10 s) na het begin van de hete Big Bang, maar er zijn nog geen protonen of neutronen.
straling, en was zo heet en dicht dat het alle samengestelde deeltjes, zoals protonen en neutronen verhinderde om zich stabiel te vormen gedurende de eerste fractie van een seconde. RHIC samenwerking, Brookhaven
In plaats daarvan is het heelal zo heet en dicht dat wat wij hebben bekend staat als een quark-gluon plasma. De reden hiervoor is contra-intuïtief, als de enige krachten die je kent zwaartekracht en elektromagnetisme zijn. In die gevallen worden de krachten sterker naarmate je twee deeltjes dichter bij elkaar brengt. Halveer de afstand tussen twee elektrische ladingen en de kracht verviervoudigt tussen hen; halveer de afstand tussen twee massa’s en de kracht kan zelfs meer dan verviervoudigen, zoals de Algemene Relativiteit voorschrijft.
Maar neem twee quarks, antiquarks, of een quark-antiquark combinatie, bijvoorbeeld, en halveer de afstand tussen hen, en de sterkte van de sterke kernkracht die hen samenbindt doet iets heel anders. Hij verviervoudigt niet. Hij verdubbelt zelfs niet. In plaats daarvan neemt de kracht tussen hen af.
De interactiekracht van de kracht neemt af tot nul. Op grote afstanden neemt deze snel toe. Dit is het idee van asymptotische vrijheid, dat experimenteel met grote nauwkeurigheid is bevestigd. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Dit is vreemd, maar dit is hoe atoomkernen en de sterke kernkracht eigenlijk werken. Onder een bepaalde afstand daalt de kracht tussen twee deeltjes met een kleurlading (quarks en gluonen) eigenlijk tot nul, en neemt alleen maar toe naarmate ze verder van elkaar verwijderd raken. Bij de hoge temperaturen en dichtheden in deze vroege tijden is de kernkracht te zwak om iets aan elkaar te binden. Het gevolg is dat de deeltjes gewoon rondzweven, tegen elkaar botsen, nieuwe deeltjes creëren en elkaar vernietigen.
Maar naarmate het heelal uitdijt, koelt het af en wordt het minder dicht. En naarmate de tijd verstrijkt, wordt het moeilijker om de massievere deeltjes te maken.
van pure energie is een volledig omkeerbare reactie (rechts), waarbij materie/antimaterie annihileert terug naar pure energie. Dit creatie-en-annihilatieproces, dat E = mc^2 volgt, is de enige bekende manier om materie of antimaterie te creeren en te vernietigen. Bij lage energieën wordt de creatie van deeltjes en antideeltjes onderdrukt. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
Met uitzondering van de lichtste quarks (up en down, plus anti-up en anti-down) en de lichtst geladen lepton (het elektron, plus het positron), zijn alle andere deeltjes onstabiel voor radioactief verval. Naarmate de picoseconden veranderen in nanoseconden, en de nanoseconden zich opstapelen in microseconden, houden de zwaardere deeltjes op te ontstaan en verdwijnen ze uit ons heelal. De onderste/anti-onderste quarks verdwijnen als eerste, gevolgd door de tau- en anti-tau-leptonen. Dan gaan de charm/anti-charm quarks, gevolgd door de strange/anti-strange quarks.
het heelal bepaalt wanneer en onder welke voorwaarden ze kunnen worden gecreëerd. Hoe massiever een deeltje is, hoe minder lang het spontaan kan ontstaan in het vroege heelal. Fig. 15-04a van universe-review.ca
Naarmate we meer en meer deeltjes/antideeltjes combinaties verliezen, creëren ze grotere aantallen van de lichtere deeltjes/antideeltjes paren die nog kunnen bestaan, maar ook grotere aantallen fotonen. Elke keer dat we twee fotonen produceren door deeltjes/antideeltjes-annihilatie, vertraagt dat de afkoeling van het heelal een beetje. Het heelal wordt koeler en dunner, maar het verandert ook wat er in zit. In de beginfase bestaat slechts een klein maar substantieel percentage van de deeltjes uit fotonen, neutrino’s en antineutrino’s. Maar naarmate deze deeltjes beginnen te verdwijnen, worden deze fracties steeds groter.
en hun antimateriedeeltjes waren buitengewoon overvloedig, maar toen het heelal afkoelde, annihileerde het merendeel weg. Alle conventionele materie die we nu nog over hebben is afkomstig van de quarks en leptonen, terwijl alles wat weg annihileerde meer fotonen, neutrino’s en antineutrino’s creëerde. E. Siegel / Beyond The Galaxy
En als het heelal nog verder afkoelt, beginnen de muonen en anti-muonen weg te vallen, op hetzelfde moment dat de up-en-down quarks (plus de anti-up en anti-down quarks) zich beginnen af te scheiden tot aanzienlijke (femtometer: 10-15 m) afstanden. Ongeveer 10 tot 20 microseconden na de oerknal hebben we een kritieke combinatie van temperatuur en dichtheid bereikt. We zijn nu afgekoeld tot een temperatuur van ongeveer 2 triljoen K (2 × 1012 K), en nu zijn de quarks en antiquarks ver genoeg van elkaar verwijderd dat de sterke kracht aanzienlijk begint te worden.
Net zoals een niet-uitgerekte veer geen kracht uitoefent maar een uitgerekte veer wel, voelen de quarks geen beperkende kracht totdat ze een bepaalde afstand hebben bereikt. Maar zodra ze dat doen, worden ze gebonden.
zijn spin, maar dat doen de gluonen, zee-quarks en antiquarks, en het orbitale impulsmoment ook. De elektrostatische afstoting en de aantrekkingskracht van de sterke kernkracht samen geven het proton zijn grootte. APS/Alan Stonebraker
Geleidelijk aan maken we de overgang: van vrije up-, down-, anti-up- en anti-down quarks naar gebonden protonen, neutronen, anti-protonen en anti-neutronen. Het heelal is nog steeds heet genoeg om nieuwe deeltjes-antideeltjescombinaties te maken, en maakte veel up/anti-up en down/anti-down quarkcombinaties toen de dingen dicht genoeg waren.
Maar nu ze niet dicht genoeg zijn, en we in plaats daarvan protonen en neutronen (en anti-protonen en anti-neutronen) hebben, is het heelal niet heet genoeg om spontaan nieuwe proton/anti-proton of neutron/anti-neutron paren te maken. Dit betekent dat wanneer protonen en anti-protonen (of neutronen en anti-neutronen) elkaar vinden, ze elkaar vernietigen, en dat we geen nieuwe kunnen maken.
antideeltje, kan het annihileren tot pure energie. Dit betekent dat als je twee deeltjes met genoeg energie tegen elkaar laat botsen, je een materie-antimaterie paar kunt maken. Maar als het heelal onder een bepaalde energiedrempel zit, kun je alleen annihileren, niet creëren. Andrew Deniszczyc, 2017
Wat er dan gebeurt, als het heelal door deze kritieke fase afkoelt, is het volgende:
- de overgebleven vrije quarks beginnen opsluiting te ervaren, en worden protonen, neutronen, anti-protonen, anti-neutronen, en pionen (instabiele deeltjes bekend als mesonen),
- de mesonen vervallen weg, terwijl de anti-protonen en anti-neutronen annihileren met de protonen en neutronen,
- en dit laat ons met protonen en neutronen alleen, alleen omdat in een eerder stadium, het Heelal meer materie dan antimaterie schiep.
deeltjes en antideeltjes vervallen, terwijl materie-antimaterie paren annihileren en fotonen niet langer kunnen botsen met een energie die hoog genoeg is om nieuwe deeltjes te creëren. Maar er zullen altijd deeltjes overblijven die hun tegenhanger niet meer kunnen vinden. Of ze zijn stabiel of ze vergaan, maar beide hebben gevolgen voor ons heelal. E. Siegel
Eindelijk begint het heelal te lijken op iets wat we vandaag de dag herkennen. Zeker, het is heet en dicht. Zeker, er zijn geen atomen of zelfs maar atoomkernen. Zeker, het is nog steeds gevuld met een hoop positronen (de antimaterie tegenhanger van elektronen) en elektronen, die nog steeds spontaan worden gecreëerd en vernietigd. Maar het meeste van wat er nu bestaat, misschien 25 microseconden na het begin van de hete oerknal, bestaat nog steeds in een of andere vorm vandaag. De protonen en neutronen zullen de bouwstenen van atomen worden; de neutrino’s en antineutrino’s en fotonen zullen deel gaan uitmaken van de kosmische achtergrond; de overgebleven elektronen die er zullen zijn wanneer de elektron/positron paren annihileren zullen zich combineren met de atoomkernen om atomen, moleculen, en complexe biochemische reacties mogelijk te maken.
(geel), de d-banen (blauw) en de f-banen (groen) kunnen elk slechts twee elektronen bevatten: één spin omhoog en één spin omlaag in elk van beide. Het aantal gevulde banen wordt bepaald door het aantal protonen in de kern van een atoom. Zonder de protonen die in het vroege heelal ontstonden, zou niets van wat wij vandaag in ons heelal hebben, mogelijk zijn. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Maar in dit stadium is het grootste nieuwe dat zich voordoet, dat deeltjes niet langer individueel en vrij zijn op alle schalen. In plaats daarvan heeft het heelal voor het eerst een stabiele, gebonden toestand van meerdere deeltjes geschapen. Een proton is twee opwaartse en een neerwaartse quark, gebonden door gluonen, terwijl een neutron één opwaartse en twee neerwaartse quarks is, gebonden door gluonen. Alleen omdat we meer materie dan antimaterie hebben geschapen, hebben we een heelal dat protonen en neutronen over heeft; alleen omdat de Higgs rustmassa aan de fundamentele deeltjes heeft gegeven, krijgen we deze gebonden, atoomkernen.
het bestaan van ‘kleurlading’ en de uitwisseling van gluonen, is verantwoordelijk voor de kracht die atoomkernen bij elkaar houdt. Wikimedia Commons gebruiker Qashqaiilove
Omwille van de aard van de sterke kracht, en de enorme bindingsenergie die optreedt in deze uitgerekte-spring-achtige interacties tussen de quarks, zijn de massa’s van het proton en het neutron zo’n 100 keer zwaarder dan de quarks waaruit ze zijn opgebouwd. De Higgs gaf massa aan het heelal, maar opsluiting is wat ons 99% van onze massa geeft. Zonder protonen en neutronen zou ons heelal nooit meer hetzelfde zijn.
Verder lezen over hoe het heelal er toen uitzag:
- Hoe was het toen het heelal opgeblazen werd?
- Hoe was het toen de oerknal voor het eerst begon?
- Hoe was het toen het heelal op zijn heetst was?
- Hoe was het toen het heelal voor het eerst meer materie dan antimaterie creëerde?
- Hoe was het toen de Higgs massa gaf aan het heelal?
Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.
