Aušimas ir pamatinių dalelių formavimasis

Aušimas ir pamatinių dalelių formavimasis

Aušinimas ir fundamentaliųjų dalelių susidarymas

Kaip, Visatai vėsstant nuo ypač aukštos temperatūros, kvarkai susijungė į protonus ir neutronus

Vienas svarbiausių ankstyvosios Visatos laikotarpių buvo perėjimas nuo karštos, tankios kvarkų ir gliuonų „sriubos“ prie būsenos, kurioje šie kvarkai ėmė jungtis į sudėtines daleles — būtent protonus ir neutronus. Šis virsmas turėjo lemiamą poveikį dabartinei Visatai, nes parengė pagrindą vėlesniam branduolių, atomų ir visos po jų atsiradusios materijos formavimuisi. Toliau aptariame:

  1. Kvarkų-gliuonų plazmą (QGP)
  2. Plėtimąsi, vėsimą ir konfainmentą
  3. Protonų ir neutronų susidarymą
  4. Poveikį ankstyvajai Visatai
  5. Atvirus klausimus ir vykdomus tyrimus

Suvokdami, kaip kvarkai suformavo hadronus (protonus, neutronus ir kitas trumpaamžes daleles) Visatai vėsstant, geriau suprantame pačius materijos pamatus.

1. Kvarkų-gliuonų plazma (QGP)

1.1 Aukštos energijos būsena

Pačiais ankstyvaisiais momentais po Didžiojo sprogimo — maždaug iki kelių mikrosekundžių (10−6 s) — Visatos temperatūra ir tankis buvo tokie dideli, kad protonai ir neutronai negalėjo egzistuoti kaip susietos būsenos. Vietoj to kvarkai (pagrindiniai nukleonų elementai) ir gliuonai (stipriosios sąveikos nešėjai) egzistavo kvarkų-gliuonų plazmos (QGP) pavidalu. Šioje plazmoje:

  • Kvarkai ir gliuonai buvo dekonfinuoti, tai yra nebuvo „užrakinti“ sudėtinėse dalelėse.
  • Temperatūra, ko gero, viršijo 1012 K (maždaug 100–200 MeV energijos vienetais), gerokai aukštesnė nei QCD (kvantinės chromodinamikos) konfainmento riba.

1.2 Duomenys iš dalelių greitintuvų

Nors negalime tiksliai atkurti Didžiojo sprogimo, sunkųjų jonų greitintuvų eksperimentai — tokie kaip Relativistinių sunkiųjų jonų greitintuvas (RHIC) Brukheiveno nacionalinėje laboratorijoje ir Didysis hadronų greitintuvas (LHC) CERN’e — pateikė daug įrodymų apie QGP egzistavimą ir savybes. Šie eksperimentai:

  • Pagreitina sunkiuosius jonus (pvz., aukso ar švino) beveik iki šviesos greičio.
  • Juos susiduria, trumpam sukurdami ypač tankią ir karštą „ugnies rutulio“ būseną.
  • Tyrinėja šį „ugnies rutulį“, kuris atspindi panašias sąlygas, buvusias ankstyvojoje Visatoje kvarkų epochos metu.

2. Plėtimasis, vėsimas ir konfainmentas

2.1 Kosminis plėtimasis

Po Didžiojo sprogimo Visata sparčiai plėtėsi. Jai plečiantis, ji vėso, paprastai tariant, tarp temperatūros T ir Visatos mastelio koeficiento a(t) egzistuoja priklausomybė T ∝ 1/a(t). Kitaip sakant, kuo didesnė Visata, tuo ji šaltesnė, ir nauji fizikiniai procesai gali pradėti vyrauti skirtingais laikotarpiais.

2.2 QCD fazinis virsmas

Maždaug tarp 10−5 ir 10−6 sekundžių po Didžiojo sprogimo, temperatūra nukrito žemiau kritinės vertės (~150–200 MeV, arba apie 1012 K). Tuomet:

  1. Hadronizacija: Kvarkai dėl stipriosios sąveikos tapo „uždaryti“ hadronuose.
  2. Spalvinis konfainmentas: QCD dėsniai numato, kad „spalvą“ turintys kvarkai, esant žemiems energijos lygiams, negali egzistuoti vieni. Jie jungiasi į spalviškai neutralias kombinacijas (pvz., trys kvarkai sudaro barioną, kvarko ir antikvarko pora — mezoną).

3. Protonų ir neutronų susidarymas

3.1 Hadronai: barionai ir mezonai

Barionai (pvz., protonai, neutronai) sudaryti iš trijų kvarkų (qqq), o mezonai (pvz., pionai, kaonai) — iš kvarko ir antikvarko poros (q̄q). Per hadronų epochą (apie 10−6–10−4 sekundę po Didžiojo sprogimo) susiformavo daugybė hadronų. Dauguma jų buvo trumpaamžiai ir suiro į lengvesnes, stabilesnes daleles. Maždaug po 1 sekundės nuo Didžiojo sprogimo dauguma nestabilių hadronų buvo suirę, o pagrindinės išlikusios dalelės tapo protonai ir neutronai (lengviausi barionai).

3.2 Protonų ir neutronų santykis

Nors susidarė gausūs tiek protonų (p), tiek neutronų (n) kiekiai, neutronai yra šiek tiek sunkesni už protonus. Laisvas neutronas gana greitai suyra (~10 minučių pusamžis) į protoną, elektroną ir neutriną. Ankstyvojoje Visatoje neutronų ir protonų santykį lėmė:

  1. Silpnosios sąveikos greičiai: Tarpusavio virsmai, tokie kaip n + νe ↔ p + e−.
  2. „Užšalimas“: Visatai vėsstant, šios silpnosios sąveikos nutrūko nuo terminės pusiausvyros, „užšaldydamos“ neutronų ir protonų santykį, kuris tapo maždaug 1:6.
  3. Tolesnis skilimas: Dalis neutronų suiro dar prieš prasidedant branduolijų sintezei, todėl tai šiek tiek pakeitė santykį, lėmusį vėlesnį helio ir kitų lengvųjų elementų susidarymą.

4. Poveikis ankstyvajai Visatai

4.1 Branduolių sintezės užuomazgos

Stabilūs protonai ir neutronai buvo būtina sąlyga Didžiojo sprogimo branduolių sintezei (BBN), vykusiai maždaug tarp 1 sekundės ir 20 minučių po Didžiojo sprogimo. Per BBN:

  • Protonai (1H branduoliai) jungėsi su neutronais, sudarydami deuterį, kuris toliau jungėsi į helio branduolius (4He) ir menkus ličio kiekius.
  • Šiandien stebimi pirminiai šviesiųjų elementų gausai puikiai sutampa su teorinėmis prognozėmis — tai svarbus Didžiojo sprogimo modelio patvirtinimas.

4.2 Perėjimas prie fotonų dominuojamos eros

Materijai vėstant ir stabilizuojantis, Visatos energijos tankis vis labiau tapo valdomas fotonų. Iki maždaug 380 000 metų po Didžiojo sprogimo, Visata buvo pripildyta karštos elektronų ir branduolių plazmos. Tik elektronams rekombinuojantis su branduoliais ir susidarant neutraliems atomams, Visata tapo skaidri, išspinduliuodama kosminį mikrobangų foną (KMF), kurį stebime šiandien.

5. Atviri klausimai ir vykdomi tyrimai

5.1 Tikslus QCD fazinio virsmo pobūdis

Dabartinės teorijos ir QCD skaitmeninės simuliacijos leidžia manyti, kad perėjimas nuo kvarkų-gliuonų plazmos prie hadronų gali būti tolygus (angl. crossover), o ne staigus I eilės fazinis virsmas, kai barioninis tankis artimas nuliui. Vis dėlto ankstyvoje Visatoje galėjo egzistuoti nedidelė barioninė asimetrija. Tęsiami teoriniai darbai ir geresnės skaitmeninės QCD studijos stengiasi patikslinti šias detales.

5.2 Kvarkų-hadronų fazinio virsmo žymenys

Jei kvarkų-hadronų fazinis virsmas paliko kokių nors unikalių kosmologinių pėdsakų (pvz., gravitacinių bangų, likutinių dalelių pasiskirstymo), tai galėtų padėti netiesiogiai atskleisti ankstyviausias Visatos istorijos akimirkas. Tyrėjai toliau ieško šių galimų žymenų tiek stebėjimais, tiek eksperimentais.

5.3 Eksperimentai ir simuliacijos

  • Sunkųjų jonų susidūrimai: RHIC ir LHC programos atkuria tam tikrus QGP aspektus, padedančius fizikams tyrinėti stipriai sąveikaujančios medžiagos savybes esant dideliems tankiams ir temperatūroms.
  • Astrofiziniai stebėjimai: Tikslūs KMF matavimai (Plancko palydovas) ir lengvųjų elementų gausų vertinimas patikrina BBN modelius, netiesiogiai apribodami fizikos dėsnius kvarkų-hadronų perėjimo laikotarpiu.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Išsamus vadovėlis, kuriame aptariama ankstyvosios Visatos fizika, įskaitant kvarkų–hadronų virsmą.
  2. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Suteikia gilesnį požiūrį į kosmologinius procesus, įskaitant fazinius virsmus ir branduolių sintezę.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Pateikia plačias dalelių fizikos ir kosmologijos apžvalgas.
  4. Yagi, K., Hatsuda, T., & Miake, Y. (2005). Quark-Gluon Plasma: From Big Bang to Little Bang. Cambridge University Press. – Aptaria eksperimentinius ir teorinius QGP aspektus.
  5. Shuryak, E. (2004). “What RHIC Experiments and Theory Tell Us about Properties of Quark–Gluon Plasma?” Nuclear Physics A, 750, 64–83. – Daugiausia dėmesio skirta QGP tyrimams greitintuvuose.

Baigiamosios mintys

Perėjimas nuo laisvos kvarkų-gliuonų plazmos prie susietų protonų ir neutronų būsenos buvo vienas lemiamų įvykių ankstyvoje Visatos raidoje. Be jo nebūtų susiformavusi stabili materija, o vėliau — žvaigždės, planetos ir gyvybė. Šiandien eksperimentai miniatiūriškai atkuria kvarkų epochą sunkųjų jonų susidūrimuose, o kosmologai tobulina teorijas ir simuliacijas, siekdami suprasti kiekvieną šio sudėtingo, bet esminio fazinio virsmo subtilybę. Drauge šios pastangos vis labiau atskleidžia, kaip karšta ir tanki pirminė plazma atvėso ir susiformavo į dabartinės Visatos pagrindinius statybinius blokus.

Вернуться к блогу