gluoni, și spinul quarcului arătat. Forța nucleară acționează ca un resort, cu o forță neglijabilă atunci când nu este întinsă, dar cu forțe mari și atractive atunci când este întinsă la distanțe mari. Brookhaven National Laboratory
Povestea istoriei noastre cosmice este una a unui Univers în expansiune și răcire. Pe măsură ce am progresat de la o stare caldă, densă și uniformă la una rece, rarefiată și aglomerată, o serie de evenimente importante au avut loc de-a lungul istoriei noastre cosmice. În momentul Big Bang-ului fierbinte, Universul era plin de tot felul de particule, antiparticule și cuante de radiație cu energie ultra-înaltă, care se deplasau cu viteza luminii sau aproape de aceasta.
Pe de altă parte, astăzi avem un Univers plin de stele, galaxii, gaz, praf și multe alte fenomene care au o energie prea mică pentru a fi existat în Universul timpuriu. Odată ce lucrurile s-au răcit suficient de mult pentru ca Higgs să dea masă Universului, ați putea crede că s-ar fi format imediat protoni și neutroni. Dar aceștia nu au putut exista imediat. Iată povestea modului în care au apărut.
plasmă quark-gluonică liberă, nelegată. La temperaturi și densități mai mici, avem hadroni mult mai stabili: protoni și neutroni. BNL/RHIC
În căldura Universului timpuriu, dar după ce particulele fundamentale au obținut o masă de repaus, avem fiecare combinație particulă-antiparticulă posibilă din punct de vedere energetic care intră și iese din existență. Există:
- quarci și antiquarci,
- leptoni și antileptoni,
- neutrini și antineutrini,
- precum și bosonii gauge,
toate acestea existând atâta timp cât există suficientă energie (E) pentru a crea aceste particule de mase date (m) prin E = mc2 a lui Einstein. Particulele capătă masă la doar 100 de picosecunde (10-10 s) după ce începe Big Bang-ul fierbinte, dar nu există încă protoni sau neutroni.
radiație, și a fost atât de fierbinte și de dens încât a împiedicat toate particulele compozite, cum ar fi protonii și neutronii, să se formeze în mod stabil pentru prima fracțiune de secundă. Colaborarea RHIC, Brookhaven
În schimb, Universul este atât de fierbinte și de dens încât ceea ce avem este cunoscut sub numele de plasmă quark-gluon. Motivul pentru acest lucru este contraintuitiv, dacă singurele forțe cu care sunteți familiarizați sunt gravitația și electromagnetismul. În aceste cazuri, forțele devin din ce în ce mai puternice cu cât apropii mai mult două particule. Înjumătățiți distanța dintre două sarcini electrice și forța se înjumătățește între ele; înjumătățiți distanța dintre două mase și forța ar putea chiar mai mult decât să se înjumătățească, așa cum dictează Relativitatea Generală.
Dar luați doi quarci, antiquarci sau o combinație quarc-antiquarc, de exemplu, și înjumătățiți distanța dintre ei, iar intensitatea forței nucleare puternice care îi leagă între ei face ceva foarte diferit. Nu se cvadruplează. Nici măcar nu se dublează. În schimb, forța dintre ele scade.
puterea de interacțiune a forței scade la zero. La distanțe mari, ea crește rapid. Aceasta este ideea de libertate asimptotică, care a fost confirmată experimental cu mare precizie. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Este ciudat, dar acesta este modul în care funcționează de fapt nucleele atomice și forța nucleară puternică. Sub o anumită distanță, forța dintre orice două particule cu sarcină de culoare (quarcuri și gluoni) scade de fapt la zero, crescând doar pe măsură ce se îndepărtează. La temperaturile și densitățile ridicate prezente în aceste timpuri foarte timpurii, forța nucleară este prea slabă pentru a lega ceva între ele. Ca urmare, particulele pur și simplu se mișcă în jurul lor, ciocnindu-se unele de altele, creând altele noi și anihilându-se.
Dar pe măsură ce Universul se extinde, acesta se răcește și devine mai puțin dens. Și, pe măsură ce trece timpul, devine mai greu de creat particule mai masive.
din energie pură este o reacție complet reversibilă (dreapta), materia/antimateria anihilându-se înapoi în energie pură. Acest proces de creare-anihilare, care se supune lui E = mc^2, este singura modalitate cunoscută de a crea și distruge materie sau antimaterie. La energii joase, crearea de particule-antiparticule este suprimată. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
În plus, cu excepția celor mai ușoare quarcuri (up și down, plus anti-up și anti-down) și a celui mai ușor lepton încărcat (electronul, plus pozitronul), toate celelalte particule sunt instabile la dezintegrare radioactivă. Pe măsură ce picosecundele se transformă în nanosecunde, iar nanosecundele se adună în microsecunde, particulele mai grele încetează să mai fie create și dispar din Universul nostru. Quarcurile bottom/anti-bottom dispar primele, urmate de leptonii tau și anti-tau. Apoi dispar quarcii charm/anti-charm, urmați de quarcii strange/anti-strange.
Universul determină când și în ce condiții pot fi create. Cu cât o particulă este mai masivă, cu atât mai puțin timp poate fi creată spontan în Universul timpuriu. Fig. 15-04a din universe-review.ca
Pe măsură ce pierdem din ce în ce mai multe combinații de particule/antiparticule, acestea creează un număr mai mare de perechi de particule/antiparticule mai ușoare care mai pot exista, dar și un număr mai mare de fotoni. De fiecare dată când producem doi fotoni din anihilarea particulelor/antiparticulelor, aceasta încetinește puțin răcirea Universului. Universul devine din ce în ce mai rece și mai rarefiat, dar se schimbă și ceea ce se află în el. În primele etape, doar un procent mic, dar substanțial, din particulele din jur sunt fotoni, neutrini și antineutrini. Dar, pe măsură ce aceste particule încep să dispară, aceste fracțiuni cresc din ce în ce mai mult.
și particulele lor de antimaterie erau extraordinar de abundente, dar, pe măsură ce Universul s-a răcit, majoritatea s-au anihilat. Toată materia convențională pe care o mai avem astăzi provine din quarci și leptoni, în timp ce tot ceea ce s-a anihilat a creat mai mulți fotoni, neutrini și antineutrini. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Și pe măsură ce Universul se răcește și mai mult, muonii și anti-muonii încep să se dezintegreze, în același timp în care quarcii up și down (plus quarcii anti-up și anti-down) încep să se separe la distanțe substanțiale (femtometru: 10-15 m). La aproximativ 10-20 de microsecunde după Big Bang, am atins o combinație critică de temperatură/densitate. Acum ne-am răcit până la o temperatură de aproximativ 2 trilioane K (2 × 1012 K), iar acum quarcii și antiquarcii sunt suficient de depărtați pentru ca forța puternică să înceapă să devină substanțială.
La fel cum un resort întins nu exercită o forță, dar un resort întins o face, quarcii nu simt o forță de confinare până când nu ajung la o anumită distanță. Dar, odată ce o fac, devin legați.
spinul său, dar și gluonii, quarcii și antiquarcii de mare, precum și momentul unghiular orbital. Repulsia electrostatică și forța nucleară puternică atractivă, în tandem, sunt cele care conferă protonului dimensiunea sa. APS/Alan Stonebraker
Gradual, facem tranziția: de la quarcii up, down, anti-up și antidown liberi la protoni, neutroni, antiprotoni și antineutroni legați. Universul este încă suficient de fierbinte pentru a face noi combinații particulă-antiparticulă și făcea o mulțime de combinații de quarci up/anti-up și down/anti-down atunci când lucrurile erau suficient de dense.
Dar acum că nu mai sunt suficient de dense și avem protoni și neutroni (și anti-protoni și anti-neutroni) în schimb, Universul nu este suficient de fierbinte pentru a crea spontan noi perechi proton/anti-proton sau neutron/anti-neutron. Ceea ce înseamnă că atunci când protonii și antiprotonii (sau neutronii și antineutronii) se găsesc unul pe celălalt, se anihilează și nu putem crea altele noi.
antiparticulă, aceasta se poate anihila în energie pură. Acest lucru înseamnă că dacă ciocnești două particule oarecare cu suficientă energie, poți crea o pereche materie-antimaterie. Dar dacă Universul se află sub un anumit prag de energie, puteți doar să anihilați, nu să creați. Andrew Deniszczyc, 2017
Ce se întâmplă, deci, pe măsură ce Universul se răcește prin această etapă critică este următorul lucru:
- quarcii liberi rămași încep să experimenteze confinarea, devenind protoni, neutroni, antiprotoni, antineutroni și pioni (particule instabile cunoscute sub numele de mezoni),
- mezonii se dezintegrează, în timp ce anti-protonii și anti-neutronii se anihilează cu protonii și neutronii,
- și astfel rămânem doar cu protoni și neutroni, doar pentru că la un moment dat, într-o etapă anterioară, Universul a creat mai multă materie decât antimaterie.
particulele și antiparticulele se dezintegrează, în timp ce perechile materie-antimaterie se anihilează, iar fotonii nu se mai pot ciocni la energii suficient de mari pentru a crea noi particule. Dar vor exista întotdeauna particule rămase care nu-și mai pot găsi omologii antiparticule. Fie sunt stabile, fie se vor descompune, dar ambele au consecințe asupra Universului nostru. E. Siegel
În sfârșit, Universul începe să semene cu ceva ce am putea recunoaște astăzi. Sigur, este fierbinte și dens. Sigur, nu există atomi sau chiar nuclee atomice. Sigur, este încă plin de o grămadă de pozitroni (echivalentul antimaterie al electronilor) și electroni, și încă îi creează și îi anihilează spontan. Dar cea mai mare parte din ceea ce există acum, poate la 25 de microsecunde de la începutul Big Bang-ului fierbinte, există și astăzi sub o anumită formă. Protonii și neutronii vor deveni elementele constitutive ale atomilor; neutrinii, antineutrinii și fotonii vor face parte din fundalul cosmic; electronii rămași, care vor exista atunci când perechile de electroni/pozitroni se vor anihila, se vor combina cu nucleele atomice pentru a face posibile atomii, moleculele și reacțiile biochimice complexe.
(galben), orbitalii d (albastru) și orbitalii f (verde) pot conține doar doi electroni fiecare: câte un spin în sus și un spin în jos în fiecare dintre ei. Numărul de orbitali plini este determinat de numărul de protoni din nucleul unui atom. Fără protonii creați în Universul timpuriu, nimic din ceea ce avem astăzi în Universul nostru nu ar fi posibil. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Dar în această etapă, cel mai mare lucru nou care apare este că particulele nu mai sunt individuale și libere la toate scările. În schimb, pentru prima dată, Universul a creat o stare stabilă, legată, a mai multor particule. Un proton este format din doi quarci up și un quarc down, legați de gluoni, în timp ce un neutron este format dintr-un quarc up și doi quarci down, legați de gluoni. Numai pentru că am creat mai multă materie decât antimaterie, avem un Univers în care au rămas protoni și neutroni; numai pentru că Higgs a dat masă de repaus particulelor fundamentale, obținem aceste nuclee atomice legate.
existența „încărcăturii de culoare” și schimbul de gluoni, este responsabilă de forța care ține împreună nucleele atomice. Utilizatorul Wikimedia Commons Qashqaiilove
Datorită naturii forței puternice și energiei de legare extraordinare care apare în aceste interacțiuni de tip întindere-spring între quarci, masele protonului și neutronului sunt de aproximativ 100 de ori mai grele decât quarcii care le compun. Higgs a dat masa Universului, dar confinarea este cea care ne oferă 99% din masa noastră. Fără protoni și neutroni, Universul nostru nu ar mai fi niciodată la fel.
Lecturi suplimentare despre cum era Universul când:
- Cum era atunci când Universul se umfla?
- Cum era atunci când a început Big Bang-ul?
- Cum era atunci când Universul era cel mai fierbinte?
- Cum era atunci când Universul a creat pentru prima dată mai multă materie decât antimaterie?
- Cum era atunci când Universul a creat pentru prima dată mai multă materie decât antimaterie?
- Cum a fost atunci când Higgs a dat masă Universului?
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu web sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.
