gluoner och kvarkspin visas. Kärnkraften fungerar som en fjäder, med försumbar kraft när den är osträckt men stora, attraktiva krafter när den sträcks ut på stora avstånd. Brookhaven National Laboratory
Historien om vår kosmiska historia handlar om ett universum som expanderar och kyls ned. När vi utvecklades från ett varmt, tätt, enhetligt tillstånd till ett kallt, glest, klumpigt tillstånd inträffade ett antal betydelsefulla händelser under vår kosmiska historia. I det ögonblick då den heta Big Bang inträffade var universum fyllt av alla sorters ultrahöga energipartiklar, antipartiklar och strålningskvanta, som rörde sig med eller nära ljusets hastighet.
Å andra sidan har vi i dag ett universum fyllt av stjärnor, galaxer, gas, stoft och många andra företeelser som har för låg energi för att ha funnits i det tidiga universum. När saker och ting väl hade svalnat tillräckligt så att Higgs gav massa åt universum skulle man kunna tro att protoner och neutroner omedelbart skulle bildas. Men de kunde inte existera direkt. Här är historien om hur de blev till.
fri, obunden, quark-gluonplasma. Vid lägre temperaturer och densiteter har vi mycket stabilare hadroner: protoner och neutroner. BNL/RHIC
I värmen i det tidiga universum, men efter att de grundläggande partiklarna har fått en vilomassa, har vi varje partikel-antipartikelkombination som är energimässigt möjlig som poppar in och ut ur existensen. Det finns:
- kvarkar och antikvarkar,
- leptoner och antileptoner,
- neutrinos och antineutrinos,
- samt gaugebosonerna,
alla existerar så länge det finns tillräckligt med energi (E) för att skapa dessa partiklar med givna massor (m) via Einsteins E = mc2. Partiklarna får massa bara 100 picosekunder (10-10 s) efter att den heta Big Bang börjar, men det finns inga protoner eller neutroner ännu.
strålning, och var så het och tät att den hindrade alla sammansatta partiklar, som protoner och neutroner, från att stabilt bildas under den första bråkdelen av en sekund. RHIC-samarbetet, Brookhaven
Istället är universum så varmt och tätt att det vi har kallas för en quark-gluon-plasma. Anledningen till detta är kontraintuitiv, om de enda krafter du känner till är gravitation och elektromagnetism. I dessa fall blir krafterna starkare i storlek ju närmare man för två partiklar varandra. Halvera avståndet mellan två elektriska laddningar och kraften fyrdubblas mellan dem; halvera avståndet mellan två massor och kraften kan till och med mer än fyrdubblas, vilket den allmänna relativitetsteorin föreskriver.
Men ta till exempel två kvarkar, antikvarkar eller en kombination av kvark och antikvark och halvera avståndet mellan dem, och styrkan hos den starka kärnkraft som binder dem samman gör något helt annat. Den fyrdubblas inte. Den fördubblas inte ens. Istället sjunker kraften mellan dem.
kraftens interaktionsstyrka sjunker till noll. På stora avstånd ökar den snabbt. Detta är idén om asymptotisk frihet, som har bekräftats experimentellt med stor precision. S. Bethke; Prog.Part.Nucl.Phys.58:351-386,2007
Det här är konstigt, men det är så här atomkärnor och den starka kärnkraften faktiskt fungerar. Under ett visst avstånd sjunker kraften mellan två partiklar med en färgladdning (kvarkar och gluoner) faktiskt till noll och ökar bara när de kommer längre ifrån varandra. Vid de höga temperaturer och tätheter som fanns vid dessa mycket tidiga tidpunkter är kärnkraften för svag för att binda ihop någonting. Som ett resultat av detta rusar partiklarna helt enkelt runt, kolliderar med varandra, skapar nya partiklar och förintas.
Men i takt med att universum expanderar både svalnar det och blir mindre tätt. Och med tiden blir det svårare att skapa de mer massiva partiklarna.
från ren energi är en helt reversibel reaktion (till höger), där materia/antimateria förintas tillbaka till ren energi. Denna skapelse- och förintelseprocess, som lyder E = mc^2, är det enda kända sättet att skapa och förstöra materia eller antimateria. Vid låga energier är skapandet av partikel-antipartiklar undertryckt. Dmitri Pogosyan / University of Alberta
Med undantag för de lättaste kvarkarna (up och down, plus anti-up och anti-down) och den lättaste laddade leptonen (elektronen, plus positronen) är dessutom alla andra partiklar instabila för radioaktivt sönderfall. När picosekunderna förvandlas till nanosekunder och nanosekunderna hopar sig till mikrosekunder slutar de tyngre partiklarna att skapas och försvinner från vårt universum. Botten-/antibottenkvarkar försvinner först, följt av tau- och antitau-leptonerna. Sedan försvinner charm/anti-charm-kvarkarna, följt av strange/anti-strange-kvarkarna.
universum bestämmer när och under vilka förhållanden de kan skapas. Ju mer massiv en partikel är, desto kortare tid kan den spontant skapas i det tidiga universum. Fig. 15-04a från universe-review.ca
När vi förlorar fler och fler partikel/antipartikelkombinationer skapar de ett större antal av de lättare partikel/antipartikelpar som fortfarande kan existera, men också ett större antal fotoner. Varje gång vi producerar två fotoner från partikel/antipartikelförintelse saktar vi ner universums nedkylning lite grann. Universum blir kallare och glesare, men det förändras också vad som finns i det. I de tidiga stadierna är endast en liten men betydande andel av de partiklar som finns runt omkring fotoner, neutriner och antineutriner. Men när dessa partiklar börjar försvinna stiger dessa fraktioner högre och högre.
och deras antimateriepartiklar var utomordentligt rikliga, men när universum kyldes ner förintas majoriteten bort. All konventionell materia som vi har kvar i dag kommer från kvarkarna och leptonerna, medan allt som annihilerade bort skapade fler fotoner, neutriner och antineutriner. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Och när universum svalnar ännu mer börjar muonerna och antimuonerna att sönderfalla, samtidigt som upp- och ner-kvarkarna (plus anti-upp- och anti-ned-kvarkarna) börjar separeras på betydande avstånd (femtometer: 10-15 m). Ungefär 10-20 mikrosekunder efter Big Bang når vi en kritisk kombination av temperatur och densitet. Vi har nu svalnat till en temperatur på omkring 2 biljoner K (2 × 1012 K), och nu är kvarkerna och antikvarkerna tillräckligt långt ifrån varandra för att den starka kraften ska börja bli betydande.
Såsom en osträckt fjäder inte utövar någon kraft, men en utsträckt fjäder gör det, känner kvarkerna inte av en begränsande kraft förrän de når ett visst avstånd. Men när de väl gör det blir de bundna.
sitt spinn, men det gör också gluonerna, havskvarkarna och antikvarkarna, och även orbitalt vinkelmoment. Det är den elektrostatiska repulsionen och den attraktiva starka kärnkraften som tillsammans ger protonen dess storlek. APS/Alan Stonebraker
Graduellt gör vi övergången: från fria up-, down-, anti-up- och anti-down-kvarkar till bundna protoner, neutroner, antiprotoner och antineutroner. Universum är fortfarande tillräckligt varmt för att skapa nya partikel-antipartikel-kombinationer, och skapade mängder av upp/anti-upp- och ner/anti-ned-kvark-kombinationer när saker och ting var tillräckligt täta.
Men nu när de inte är tillräckligt täta och vi istället har protoner och neutroner (och antiprotoner och antineutroner) är universum inte tillräckligt varmt för att spontant skapa nya proton/antiproton- eller neutron/anti-neutronpar. Det betyder att när protoner och antiprotoner (eller neutroner och antineutroner) hittar varandra förintas de bort, och vi kan inte skapa nya.
antipartikel, den kan förintas bort till ren energi. Detta innebär att om man kolliderar två partiklar överhuvudtaget med tillräckligt mycket energi kan man skapa ett materia-antimateria-par. Men om universum ligger under en viss energitröskel kan man bara annihilera, inte skapa. Andrew Deniszczyc, 2017
Vad som händer när universum svalnar genom detta kritiska skede är följande:
- De återstående fria kvarkarna börjar uppleva instängning och blir protoner, neutroner, antiprotoner, antineutroner och pioner (instabila partiklar som kallas mesoner),
- mesonerna sönderfaller, medan antiprotonerna och antineutronerna förintas med protonerna och neutronerna,
- och detta lämnar oss med enbart protoner och neutroner, endast på grund av att universum i något tidigare skede skapade mer materia än antimateria.
partiklar och antipartiklar sönderfaller, medan materia-antimateria-par förintas och fotoner inte längre kan kollidera med tillräckligt hög energi för att skapa nya partiklar. Men det kommer alltid att finnas kvarvarande partiklar som inte längre kan hitta sina motsvarigheter till antipartiklar. Antingen är de stabila eller så sönderfaller de, men båda har konsekvenser för vårt universum. E. Siegel
Äntligen börjar universum likna något som vi skulle känna igen idag. Visst är det varmt och tätt. Visst finns det inga atomer eller ens några atomkärnor. Visst är det fortfarande fyllt med en massa positroner (elektronernas antimateriella motsvarighet till elektroner) och elektroner, och det skapar och anriktar dem fortfarande spontant. Men det mesta av det som existerar nu, kanske 25 mikrosekunder efter starten av den heta Big Bang, existerar fortfarande i någon form i dag. Protoner och neutroner kommer att bli atomernas byggstenar; neutriner och antineutriner och fotoner kommer att bli en del av den kosmiska bakgrunden; de överblivna elektroner som kommer att finnas kvar när elektron/positron-paren förintas kommer att kombinera sig med atomkärnorna för att göra atomer, molekyler och komplexa biokemiska reaktioner möjliga.
(gul), d-orbitalerna (blå) och f-orbitalerna (grön) kan endast innehålla två elektroner vardera: en spinn uppåt och en spinn nedåt i varje. Antalet fyllda orbitaler bestäms av antalet protoner i atomkärnan. Utan de protoner som skapades i det tidiga universum skulle inget av det vi har i vårt universum idag vara möjligt. Libretexts Library / NSF / UC Davis
Men i detta skede är den största nya sak som inträffar att partiklar inte längre är individuella och fria på alla skalor. I stället har universum för första gången skapat ett stabilt, bundet tillstånd av flera partiklar. En proton är två up- och en downkvark, bundna av gluoner, medan en neutron är en up- och två downkvark, bundna av gluoner. Bara för att vi skapade mer materia än antimateria har vi ett universum som har protoner och neutroner kvar; bara för att Higgs gav vilomassa till de fundamentala partiklarna får vi dessa bundna, atomkärnor.
existensen av ”färgladdning” och utbytet av gluoner, är ansvarig för den kraft som håller ihop atomkärnor. Wikimedia Commons-användare Qashqaiilove
Omständigt till den starka kraftens natur och den enorma bindningsenergi som uppstår i dessa sträcka-språng-liknande interaktioner mellan kvarkarna, är protonens och neutronens massa cirka 100 gånger tyngre än de kvarkar som utgör dem. Higgs gav massa till universum, men det är begränsningen som ger oss 99 procent av vår massa. Utan protoner och neutroner skulle vårt universum aldrig vara detsamma.
Ytterligare läsning om hur universum såg ut när:
- Hur såg det ut när universum blåstes upp?
- Hur såg det ut när Big Bang började?
- Hur såg det ut när universum var som hetast?
- Hur såg det ut när universum först skapade mer materia än antimateria?
- Hur var det när Higgs gav massa till universum?
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.
