Aušimas ir pamatinių dalelių formavimasis

Дихання і формування фундаментальних частинок

Охолодження та утворення фундаментальних частинок

Як, охолоджуючись від надзвичайно високої температури, кварки об'єдналися в протони та нейтрони

Одним із найважливіших періодів раннього Всесвіту був перехід від гарячого, густого «супу» кварків і глюонів до стану, в якому ці кварки почали з'єднуватися у складові частинки — саме протони та нейтрони. Це перетворення мало вирішальне вплив на сучасний Всесвіт, оскільки це підготувало основу для подальшого формування ядер, атомів і усі форми матерії, що виникли після них. Далі обговорюємо:

  1. Кварк-глюонна плазма (QGP)
  2. Розширення, охолодження та конфайнмент
  3. Утворення протонів і нейтронів
  4. Вплив на ранній Всесвіт
  5. Відкриті питання та поточні дослідження

Розуміючи, як кварки сформували адрони (протони, нейтрони та інші короткоживучі частинки) При охолодженні Всесвіту ми краще розуміємо основи матерії.

1. Кварк-глюонна плазма (QGP)

1.1 Стан високої енергії

У найперші моменти після Великого вибуху — приблизно до кількох мікросекунд (10−6 s) — Температура і густина Всесвіту були такими були настільки великі, що протони та нейтрони не могли існувати як зв’язані стани. Замість цього кварки (основні елементи нуклонів) та глюони (сильні носії взаємодій) існували у вигляді кварк-глюонної плазми (QGP). У цій плазмі:

  • Кварки та глюони були деконфайновані, тобто не були «зачиненими» у складних частинках.
  • Температура, ймовірно, перевищила 1012 K (приблизно 100–200 МеВ енергетичних одиниць), значно вищий за поріг конфайнменту QCD (квантової хромодинаміки).

1.2 Дані з прискорювачів частинок

Хоча ми не можемо точно відтворити Великий вибух, прискорювачі важких іонів експерименти — такі як Релятивістський важкий іонний колайдер (RHIC) У національній лабораторії Брукгейвена та Великий адронний колайдер (LHC) У CERN — надали багато доказів існування та властивостей QGP. Ці експерименти:

  • Прискорює важкі іони (наприклад, золото чи свинець) майже до швидкості світла.
  • Вони стикаються, короткочасно створюючи надзвичайно щільний і гарячий стан «вогняної кулі».
  • Вивчає цю «вогняну кулю», яка відображає подібні умови, що існували на ранньому У Всесвіті під час епохи кварків.

2. Розширення, охолодження та конфайнмент

2.1 Космічне розширення

Після Великого вибуху Всесвіт швидко розширювався. Розширюючись, він холодніше, простіше кажучи, між температурою T і масштабом Всесвіту існує залежність коефіцієнта a(t) T ∝ 1/a(t). Іншими словами, чим чим більший Всесвіт, тим він холодніший, і нові фізичні процеси можуть почати домінувати у різні періоди.

2.2 QCD фазовий перехід

Приблизно між 10−5 і 10−6 секунд після Великого вибуху, температура впала нижче критичного значення (~150–200 МеВ, або близько 1012 К). Тоді:

  1. Адронізація: кварки через сильну взаємодію стали «замкненими» в адронах.
  2. Кольоровий конфайнмент: закони QCD передбачають, що частинки з «кольором» кварки при низьких рівнях енергії не можуть існувати поодинці. Вони з'єднуються у кольорово нейтральні комбінації (наприклад, три кварки утворюють баріон, пара кварк-антикварк — мезон).

3. Утворення протонів і нейтронів

3.1 Адрони: баріони і мезони

Баріони (наприклад, протони, нейтрони) складаються з трьох кварків (qqq), а мезони (наприклад, піони, каони) — із пари кварк-антикварк (q̄q). Протягом адронної епохи (приблизно 10−6–10−4 секунду після Великого вибуху) сформувалося багато адронів. Більшість з них були короткоживучі і розпалися на легші, стабільніші частинки. Приблизно через 1 секунду від Великого вибуху більшість нестабільних адронів розпалися, а основні залишилися частинки стали протонами і нейтронами (найлегші баріони).

3.2 Відношення протонів і нейтронів

Хоча утворилися значні кількості як протонів (p), так і нейтронів (n), нейтрони трохи важчі за протони. Вільний нейтрон досить швидко розпадається (~10 хвилин піврозпаду) у протон, електрон і нейтрино. У ранньому Всесвіті співвідношення нейтронів і протонів визначалися:

  1. Швидкості слабких взаємодій: Взаємні перетворення, такі як n + νe ↔ p + e−.
  2. «Заморожування»: При охолодженні Всесвіту ці слабкі взаємодії порушився від термічної рівноваги, «заморожуючи» співвідношення нейтронів і протонів, який став приблизно 1:6.
  3. Подальший розпад: Частина нейтронів розпалася ще до початку для синтезу ядер, тому це трохи змінило співвідношення, що визначило подальше утворення гелію та інших легких елементів.

4. Вплив на ранній Всесвіт

4.1 Зародки синтезу ядер

Стабільні протони та нейтрони були необхідною умовою Синтез ядер Великого вибуху (BBN), що відбувався приблизно між 1 секунди та 20 хвилин після Великого вибуху. Під час BBN:

  • Протони (1H branduолi) з'єднувалися з нейтронами, утворюючи дейтерій, який далі з'єднувався в ядра гелію (4He) та незначні кількостями літію.
  • Сьогодні спостережувані первинні кількості легких елементів чудово збігаються з теоретичними прогнозами — це важливе підтвердження моделі Великого вибуху.

4.2 Перехід до ери домінування фотонів

Матерія охолоджувалась і стабілізувалась, енергетична густина Всесвіту все більше стали керованими фотонами. Приблизно до 380 000 років після Великого вибуху, Всесвіт був наповнений гарячою плазмою електронів і ядер. Лише електрони рекомбінуючий з ядрами та утворюючи нейтральні atomams, Visata tapo skaidri, išspinduliuodama kosminį mikrobangų фон (КМФ), який ми спостерігаємо сьогодні.

5. Відкриті питання та поточні дослідження

5.1 Точний характер фазового переходу QCD

Сучасні теорії та чисельні симуляції QCD дозволяють вважати, що перехід від кварково-глюонної плазми до адронів може бути плавним (англ. crossover), а не різкий фазовий перехід першого роду, коли баріонний густина близька до нуля. Проте в ранньому Всесвіті могла існувати невелика баріонна асиметрія. Продовжуються теоретичні роботи та кращі цифрові дослідження QCD намагаються уточнити ці деталі.

5.2 Маркери фазового переходу кварк-адрон

Якщо фазовий перехід кварк-адрон залишив якісь унікальні космологічні слідів (наприклад, гравітаційних хвиль, розподілу залишкових частинок), це могло б допомогти опосередковано розкрити найперші миті історії Всесвіту. Дослідники продовжують шукати ці потенційні маркери як спостереженнями, так і експериментами.

5.3 Експерименти та симуляції

  • Столкнення важких іонів: програми RHIC та LHC відтворюють певні аспекти QGP, що допомагають фізикам досліджувати сильно взаємодіючі властивості речовини за високих щільностей і температур.
  • Астрофізичні спостереження: Точні Вимірювання КМФ (супутник Планк) та легких елементів оцінка багатства перевіряє моделі ВВН, опосередковано обмежуючи закони фізики період переходу кварк-адронів.

Посилання та додаткова література

  1. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). Ранній Всесвіт. Addison-Wesley. – Детальний підручник, у якому розглядається фізика раннього Всесвіту, включно з переходом кварк–адронів.
  2. Mukhanov, V. (2005). Фізичні основи космології. Cambridge University Press. – Надає глибше розуміння космологічних процесів, включно з фазовими перетворення та синтез ядер.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Надає широкі огляди фізики частинок і космології.
  4. Yagi, K., Hatsuda, T., & Miake, Y. (2005). Quark-Gluon Plasma: From Big Bang to Little Bang. Cambridge University Press. – Обговорює експериментальні та теоретичні аспекти QGP.
  5. Shuryak, E. (2004). “Що експерименти RHIC і теорія розповідають нам про властивості кварк-глюонної плазми?” Nuclear Physics A, 750, 64–83. – Основна увага присвячено дослідженням QGP на прискорювачах.

Заключні думки

Перехід від вільної кварк-глюонної плазми до зв’язаних протонів і нейтронів стани були однією з вирішальних подій на ранніх етапах розвитку Всесвіту. Без нього не було б утворилася стабільна матерія, а пізніше — зорі, планети та життя. Сьогодні експерименти мініатюрно відтворюють епоху кварків у зіткненнях важких іонів, а космологи вдосконалюють теорії та симуляції, намагаючись зрозуміти кожну тонкість цього складного, але суттєвого фазового переходу. Разом ці зусилля все більше розкривають, наскільки гарячим і густим був первинний плазма охолола і сформувала основні будівельні блоки сучасного Всесвіту.

Повернутися до блогу