Aušimas ir pamatinių dalelių formavimasis

Aušimas un pamatdaļiņu veidošanās

Dzesēšana un fundamentālo daļiņu veidošanās

Kā, Visumam atdziestot no ļoti augstas temperatūras, kvarki savienojās protonos un neitronos

Viens no svarīgākajiem agrīnā Visuma periodiem bija pāreja no karstas, blīvas kvarku un gluonu "zupas" stāvokļa uz to, kur kvarki sāka savienoties uz sastāvdaļām — proti, protoniem un neitroniem. Šī pāreja bija izšķiroša ietekmi uz mūsdienu Visumu, jo tas sagatavoja pamatu vēlākai kodolu, atomu un visa pēc to rašanās veidojusies matērija. Turpmāk apspriežam:

  1. Kvarku-gluonu plazma (QGP)
  2. Izplešanās, dzesēšana un ierobežošana
  3. Protonu un neitronu veidošanās
  4. Ietekme uz agrīno Visumu
  5. Atvērtie jautājumi un pašreizējie pētījumi

Izprotot, kā kvarki veidoja hadronus (protonus, neitronus un citus īslaicīgas daļiņas) Visumam atdziestot, mēs labāk saprotam pašus matērijas pamatus.

1. Kvarku-gluonu plazma (QGP)

1.1 Augstas enerģijas stāvoklis

Paši agrīnākie brīži pēc Lielā sprādziena — aptuveni līdz dažām mikrosekundes (10−6 s) — Visuma temperatūra un blīvums bija tādi lieli, ka protoni un neitroni nevarēja pastāvēt kā saistītas būtnes. Tā vietā kvarki (kodola pamatdaļiņas) un gluoni (stiprās saskares nesēji) pastāvēja kvarku-gluonu plazmas (QGP) formā. Šajā plazmā:

  • Kvarki un gluoni bija dekonfinēti, tas ir, tie nebija "aizslēgti" sastāvdaļās.
  • Temperatūra, iespējams, pārsniedza 1012 K (aptuveni 100–200 MeV enerģijas vienībās), krietni augstāka par QCD (kvantu hromodinamikas) konfinementa robežu.

1.2 Dati no daļiņu paātrinātājiem

Lai gan mēs nevaram precīzi atdarināt Lielo sprādzienu, smago jonu paātrinātājus eksperimenti — tādi kā Relativistisko smago jonu paātrinātājs (RHIC) Brukheivenas Nacionālajā laboratorijā un Lielais hadronu paātrinātājs (LHC) CERN — sniedza daudz pierādījumu par QGP eksistenci un īpašībām. Šie eksperimenti:

  • Paātrina smagos jonus (piemēram, zelta vai svina) gandrīz līdz gaismas ātrumam.
  • Tie saduras, īslaicīgi radot īpaši blīvu un karstu “uguns bumbas” stāvokli.
  • Pēta šo “uguns bumbu”, kas atspoguļo līdzīgas apstākļus, kādi bija agrīnajā Visumā kvarku laikmetā.

2. Paplašināšanās, atdzišana un konfinements

2.1 Kosmiskais paplašinājums

Pēc Lielā sprādziena Visums strauji paplašinājās. Paplašinoties, tas aukstāks, vienkārši sakot, starp temperatūru T un Visuma mērogu koeficienta a(t) pastāv atkarība T ∝ 1/a(t). Citiem vārdiem sakot, jo jo lielāka Visuma apjoms, jo tā ir aukstāka, un jauni fizikas procesi var sākt dominēt dažādos laikposmos.

2.2 QCD fāzu pāreja

Aptuveni starp 10−5 un 10−6 sekundes pēc Lielā sprādziena, temperatūra nokritās zem kritiskās vērtības (~150–200 MeV, vai aptuveni 1012 K). Tad:

  1. Hadronizācija: Kvarki stiprās mijiedarbības dēļ kļuva "aizslēgti" hadronos.
  2. Krāsu konfinements: QCD likumi paredz, ka "krāsu" saturoši kvarki, pie zemām enerģijas līmeņiem, nevar pastāvēt atsevišķi. Tie savienojas spalvu neitrālās kombinācijās (piemēram, trīs kvarki veido barionu, kvarka un antikvarka pāris — mezons).

3. Protonu un neitronu veidošanās

3.1 Hadroni: barioni un mezoni

Barioni (piemēram, protoni, neitroni) sastāv no trim kvarkiem (qqq), un mezoni (piemēram, pioni, kaoni) — no kvarka un antikvarka pāra (q̄q). Hadronu epohas laikā (hadronu epohā) (aptuveni 10−6–10−4 sekundi pēc Lielā sprādziena) izveidojās daudz hadronu. Lielākā daļa no tiem bija īslaicīgi un sabruka vieglākās, stabilākās daļiņās. Aptuveni pēc 1 sekundes kopš Lielā sprādziena lielākā daļa nestabilo hadronu ir sabrukuši, un galvenie pārpalikušās daļiņas kļuva par protoniem un neitroniem (vieglākie barioni).

3.2 Protonu un neitronu attiecība

Tomēr veidojās liels gan protonu (p), gan neitronu (n) daudzums, neitroni ir nedaudz smagāki par protoniem. Brīvs neitrons diezgan ātri sadalās (~10 minūšu pusperiods) uz protonu, elektronu un neitrīno. Agrīnajā Visumā neitronu un protonu attiecību noteica:

  1. Vājo mijiedarbību ātrumi: Savstarpējās pārvērtības, tādi kā n + νe ↔ p + e−.
  2. „Iesaldēšana“: Visumam atdziestot, šīs vājās mijiedarbības pārtrauca termisko līdzsvaru, „iesaldējot“ neitronu un protonu attiecību, kas kļuva aptuveni 1:6.
  3. Tālākā sabrukšana: Daļa neitronu sabruka vēl pirms kodolu sintēzei, tāpēc tas nedaudz mainīja attiecību, kas noteica vēlāk helija un citu vieglo elementu veidošanos.

4. Ietekme uz agrīno Visumu

4.1 Kodolu sintēzes aizmetņi

Stabilie protoni un neitroni bija nepieciešams nosacījums Lielā sprādziena kodolu sintēze (BBN), kas notika aptuveni laikā no 1 sekundi un 20 minūtes pēc Lielā sprādziena. BBN laikā:

  • Protoni (1H kodoli savienojās ar neitroniem, veidojot deitēriju, kas tālāk savienojās hēlija kodolos (4He) un nelielu litija daudzumiem.
  • Šodien novērotie primārie vieglo elementu daudzumi lieliski sakrīt ar teorētiskajām prognozēm — tas ir svarīgs Lielā sprādziena modeļa apstiprinājums.

4.2 Pāreja uz fotonu dominēto laikmetu

Materijai atdziestot un stabilizējoties, Visuma enerģijas blīvums arvien vairāk kļuva kontrolējami fotoni. Līdz aptuveni 380 000 gadiem pēc Lielā sprādziena, Visums bija piepildīts ar karstu elektronu un kodolu plazmu. Tikai elektroniem rekombinējoties ar kodoliem un veidojot neitrālus atomams, Visata tapo skaidri, išspinduliuodama kosminį mikrobangų fonu (KMF), ko mēs novērojam šodien.

5. Atvērtie jautājumi un veikti pētījumi

5.1 Precīzs QCD fāzu pārejas raksturs

Pašreizējās teorijas un QCD skaitliskās simulācijas liecina, ka pāreja no kvarku-gluonu plazmas uz hadroniem var būt vienmērīga (angl. crossover), nevis strauja I kārtas fāzu pāreja, kad barjona blīvums tuvu nullei. Tomēr agrīnajā Visumā varēja pastāvēt neliels barjona asimetrija. Turpinās teorētiskie darbi un labāka digitālās QCD studijas cenšas precizēt šīs detaļas.

5.2 Kvarku-hadronu fāzu pārejas marķieri

Ja kvarku-hadronu fāzu pāreja atstāja kādus unikālus kosmoloģiskos pēdas (piemēram, gravitācijas viļņi, atlikušās daļiņu sadalījums), tas varētu palīdzot netieši atklāt Visuma agrīnākos vēstures mirkļus. Pētnieki turpina meklēt šos iespējamos marķierus gan novērojumos, gan eksperimentos.

5.3 Eksperimenti un simulācijas

  • Smago jonu sadursmes: RHIC un LHC programmas atjauno noteiktus QGP aspektus, kas palīdz fiziķiem pētīt stipri mijiedarbinošos vielas īpašības pie augstiem blīvumiem un temperatūrām.
  • Astrofizikālie novērojumi: Precīzi KMF mērījumi (Plancka satelīts) un vieglo elementu bagātīga novērtēšana pārbauda BBN modeļus, netieši ierobežojot fizikas likumus kvarku-hadronu pārejas periodā.

Atsauces un papildu lasāmviela

  1. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). Agrīnais Visums. Addison-Wesley. – Izsmeļošs mācību līdzeklis, kurā apskatīta agrīnās Visuma fizika, tostarp kvarku–hadronu pāreja.
  2. Mukhanov, V. (2005). Fiziskie kosmoloģijas pamati. Cambridge University Press. – Sniedz dziļāku skatījumu uz kosmoloģiskajiem procesiem, tostarp fāzu pārejas un kodolu sintēzi.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Sniedz plašas daļiņu fizikas un kosmoloģijas pārskatus.
  4. Yagi, K., Hatsuda, T., & Miake, Y. (2005). Quark-Gluon Plasma: From Big Bang to Little Bang. Kembridžas Universitāte Preses izdevums. – Apskata eksperimentālos un teorētiskos QGP aspektus.
  5. Shuryak, E. (2004). “Ko RHIC eksperimenti un teorija mums saka par Kvarku–Gluonu Plazmas īpašībām?” Nuclear Physics A, 750, 64–83. – Galvenā uzmanība veltīts QGP pētījumiem paātrinātājos.

Izšķirošās domas

Pāreja no brīvas kvarku-gluonu plazmas uz saistītiem protoniem un neitroniem stāvokļi bija viens no izšķirošajiem notikumiem agrīnā Visuma attīstībā. Bez tā nebūtu veidojās stabila matērija, vēlāk — zvaigznes, planētas un dzīvība. Šodien eksperimenti miniaturizēti atjauno kvarku laikmetu smago jonu sadursmēs, bet kosmologi pilnveido teorijas un simulācijas, cenšoties izprast katru šī sarežģītā, bet būtiskā fāzu pārejas niansi. Kopā šie centieni arvien vairāk atklāj, cik karsta un blīva bija sākotnējā plazma atdzisa un veidoja mūsdienu Visuma galvenos būvkonstrukcijas.

Atgriezties emuārā