Aušimas ir pamatinių dalelių formavimasis

Hingamine ja elementaarosakeste moodustumine

Jahutamine ja fundamentaalosakeste teke

Kuidas Universumi jahtudes väga kõrgest temperatuurist kvargid ühinesid prootoniteks ja neutroniteks

Üks tähtsamaid varajase Universumi perioode oli üleminek kuumast, tiheda kvarkide ja gluoonide "supis" seisundi suhtes, kus need kvargid hakkasid ühenduma koosseisuvateks osakesteks — nimelt prootoniteks ja neutroniteks. See üleminek oli määrava tähtsusega mõju tänapäeva Universumile, sest see lõi aluse hilisemale tuumade, aatomite ja kogu nende tekkiva aine moodustumise jaoks. Edaspidi käsitleme:

  1. Kvark-gluoonide plasma (QGP)
  2. Laiendamine, jahutamine ja piiramine
  3. Prootonite ja neutronite moodustumine
  4. Mõju varajasele Universumile
  5. Avatud küsimused ja käimasolevad uuringud

Mõistes, kuidas kvargid moodustasid hadroneid (prootoneid, neutroneid ja teisi lühiajalised osakesed) Universumi jahtumisel mõistame paremini aine põhialuseid.

1. Kvark-gluoni plasma (QGP)

1.1 Kõrge energia olek

Väga varajastel hetkedel pärast Suurt Pauku — umbes kuni mõne mikrosekundit (10−6 s) — Universumi temperatuur ja tihedus olid sellised nii suured, et prootonid ja neutronid ei saanud eksisteerida seotud olekutes. Selle asemel olid kvargid (nukleonide põhielemendid) ja gluonid (tugevate interaktsioonide kandjad) eksisteerisid kvark-gluoni plasma (QGP) kujul. Selles plasmas:

  • Kvargid ja gluonid olid dekonfineeritud, see tähendab, et nad ei olnud „lukustatud“ koosseisuvates osakestes.
  • Temperatuur ületas tõenäoliselt 1012 K (umbes 100–200 MeV energiaühikutes), märkimisväärselt kõrgem kui QCD (kvantkromodünaamika) konfinemendi piir.

1.2 Andmed osakestekiirenditest

Me ei suuda täpselt taastada Suurt Pauku, raske ioonikiirendite katsed — nagu Relativistlike raskete ioonide kiirendi (RHIC) Brukheaveni riiklikus laboris ja Suur hadronite kiirendi (LHC) CERNis — andis palju tõendeid QGP olemasolu ja omaduste kohta. Need katsed on:

  • Kiirendab raskeid ioone (nt kuld- või pliiioone) peaaegu valguse kiiruseni.
  • Nad põrkuvad kokku, luues lühiajaliselt eriti tiheda ja kuuma „tulepalli“ oleku.
  • Uurib seda „tulepalli“, mis peegeldab sarnaseid tingimusi varajases Universumis kvarkide ajastul.

2. Laienemine, jahenemine ja konfinement

2.1 Kosmiline laienemine

Pärast Suurt Pauku laienes Universum kiiresti. Laienedes külmem, lihtsustatult öeldes, temperatuuri T ja Universumi skaalafaktori vahel koefitsiendi a(t) korral eksisteerib sõltuvus T ∝ 1/a(t). Teisisõnu, mida mida suurem Universum, seda külmem see on ning uued füüsikalised protsessid võivad hakata domineerima erinevatel ajaperioodidel.

2.2 QCD faasisiire

Umbes vahemikus 10−5 ja 10−6 sekundite jooksul pärast Suurt Pauku, temperatuur langes alla kriitilise väärtuse (~150–200 MeV ehk umbes 1012 K). Siis:

  1. Hadronisatsioon: Kvargid said tugeva vastasmõju tõttu „kinni pandud“ hadronites.
  2. Värvikonfinement: QCD seadused näitavad, et „värviga“ osakesed kvargid madalatel energiatasetel ei saa eksisteerida üksinda. Nad seonduvad värvitu neutraalseks kombinatsiooniks (nt kolm kvarki moodustavad bariooni, kvargi ja antikvargi paar — mezon).

3. Prootonite ja neutronite teke

3.1 Hadronid: barioonid ja mezonid

Barioonid (nt prootonid, neutronid) koosnesid kolmest kvargist (qqq), ja mezonid (nt pioonid, kaonid) — koosnesid kvargist ja antikvargist paarina (q̄q). Hadronite ajastul (hadronite ajastu) (umbes 10−6–10−4 sekund pärast Suurt pauku) tekkis palju hadroneid. Enamik neist oli lühiajalised ja lagunesid kergemateks, stabiilsemateks osakesteks. Umbes 1 sekundi Suurest paugust alates lagunes enamik ebastabiilseid hadroneid ning peamised jäänud osakesed said prootoniteks ja neutroniteks (kergemad barioonid).

3.2 Prootonite ja neutronite suhe

Nii tekkisid suured nii prootonite (p) kui neutronite (n) hulgad, neutronid on prootonitest veidi raskemad. Vaba neutron laguneb üsna kiiresti (~10 minuti poolestusaeg) prootoniks, elektroniks ja neutriinoks. Varases Universumis neutronite ja prootonite suhet määrasid:

  1. Nõrkade vastasmõjude kiirused: omavahelised üleminekud, nagu n + νe ↔ p + e−.
  2. „Külmutamine“: Universumi jahtudes aeglustusid need nõrgad vastasmõjud katkes termilise tasakaalu tõttu, „külmutades“ neutronite ja prootonite suhte, mis sai ligikaudu 1:6.
  3. Edasine lagunemine: osa neutroneid lagunes enne algust tuumade sünteesiks, seega muutis see veidi suhet, mis määras hilisema heeliumi ja teiste kergete elementide moodustumist.

4. Mõju varajasele Universumile

4.1 Tuumasünteesi algus

Stabiilsed prootonid ja neutronid olid vajalik tingimus Suure Paugu tuumade süntees (BBN), mis toimus ligikaudu 1 sekundi ja 20 minuti pärast Suurest Paugust. BBN ajal:

  • Prootonid (1H tuumad ühinesid neutronitega, moodustades deuteerium, mis seejärel ühines heeliumi tuumadega (4He) ja väikesed liitiumi kogustega.
  • Täna täheldatud kergete elementide esialgsed hulgad langevad suurepäraselt kokku teoreetiliste prognoosidega — see on oluline Suure Paugu mudeli kinnitamine.

4.2 Üleminek fotonite domineeritud ajastule

aine jahtudes ja stabiliseerudes vähenes Universumi energiatihedus järjest muutusid fotonite poolt juhitavaks. Umbes 380 000 aastat pärast Suurt Pauku, Universum oli täidetud kuuma elektronide ja tuumade plasmaga. Ainult elektronid rekombineerudes tuumadega ja moodustades neutraalseid atomams, Visata tapo skaidri, išspinduliuodama kosminį mikrobangų taust (KMF), mida me täna täheldame.

5. Avatud küsimused ja käimasolevad uuringud

5.1 Täpne QCD faasisiirde olemus

Praegused teooriad ja QCD arvutuslikud simulatsioonid lubavad arvata, et üleminek kvark-gluoon plasma juurest hadroonideni võib olla sujuv (ingl. crossover), mitte järsk I järgu faasisiire, kui baarioniline tihedus, mis on nullile lähedane. Siiski võis varases Universumis eksisteerida väike baarioniline asümmeetria. Jätkuvad teoreetilised tööd ja paremad digitaalsed QCD uuringud püüavad neid detaile täpsustada.

5.2 Kvarkide-hadronite faasülemineku markerid

Kui kvarkide-hadronite faasüleminek jättis mingeid unikaalseid kosmoloogilisi jälgi (nt gravitatsioonilained, järelejäänud osakeste jaotus), see võiks aidata kaudselt paljastada Universumi varaseima ajaloo hetki. Uurijad otsivad neid võimalikke markereid nii vaatluste kui ka katsete kaudu.

5.3 Katsetused ja simulatsioonid

  • Raskete ioonide põrked: RHIC ja LHC programmid taastavad teatud QGP aspekte, aidates füüsikutel uurida tugevalt interakteeruvaid aine omadused kõrgete tiheduse ja temperatuuride juures.
  • Astrofüüsikalised vaatlused: Täpsed KMF mõõtmised (Plancki satelliit) ja kergete elementide suur hulk hinnanguid kontrollib BBN mudeleid, piirates kaudselt füüsikaseadusi kvarkide-hadronite ülemineku perioodil.

Viited ja täiendav lugemine

  1. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). Varajane Universum. Addison-Wesley. – Põhjalik õpik, mis varajase Universumi füüsika, sealhulgas kvarkide–hadronite üleminek.
  2. Mukhanov, V. (2005). Kosmoloogia füüsikalised alused. Cambridge University Press. – Pakub sügavamat vaadet kosmoloogilistele protsessidele, sealhulgas faasimuutustele muutusi ja tuumade sünteesi.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Esitab põhjalikke osakestefüüsika ja kosmoloogia ülevaateid.
  4. Yagi, K., Hatsuda, T., & Miake, Y. (2005). Quark-Gluon Plasma: From Big Bang to Little Bang. Cambridge University Press. – Arutab eksperimentaalseid ja teoreetilisi QGP aspekte.
  5. Shuryak, E. (2004). “What RHIC Experiments and Theory Tell Us about Properties of Quark–Gluon Plasma?” Nuclear Physics A, 750, 64–83. – Peamiselt keskendutud pühendatud QGP uurimisele kiirendites.

Lõppmõtted

Üleminek vabast kvark-gluoni plasmast seotud prootonite ja neutronite juurde olekud olid üks määravaid sündmusi universumi varases arengus. Ilma selleta ei oleks moodustunud stabiilne aine ning hiljem tähed, planeedid ja elu. Täna taastavad katsed miniatuurselt kvarkide ajastut raskeimate ioonide kokkupõrgetes ning kosmoloogid täiustavad teooriaid ja simulatsioone, püüdes mõista iga selle keeruka, kuid olulise faasimuutuse nüanssi. Koos paljastavad need pingutused üha enam, kui kuum ja tihe oli algne plasma jahtus maha ja moodustas praeguse Universumi põhilised ehitusplokid.

Naaske ajaveebi