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Fragen Sie Ethan Nr. 76: Ein sehr frühes Universum

Was geschah, als alles so heiß war, dass sich Materie und Antimaterie spontan bildeten?


Aus der speziellen Relativitätstheorie folgt, dass Masse und Energie unterschiedliche Manifestationen derselben Sache sind - ein Konzept, das dem Durchschnittsverstand unbekannt ist.
- Albert Einstein

Jede Woche haben Sie die Möglichkeit, Fragen und Vorschläge zu senden, um der Star unserer täglichen Kolumne zu werden. Diese Woche werden wir dank Wayne King zu den frühesten Stadien des Urknalls gebracht, der fragt:

Es gibt eine Zeit, über die wir wenig wissen, dies ist die Zeit der Vernichtung von Partikeln und Antiteilchen. War es "Materie" im Sinne von Protonen und Positronen? Und was ist mit Neutronen passiert? Oder war es irgendeine Form von verdichteter Energie aus dem Bereich der Quantenchromodynamik? Wie ist sie erschienen? Gab es noch etwas im Vernichtungsprozess? Wie viel Energie wurde freigesetzt und wohin ging sie?
Die meisten Autoren beschränken sich lediglich auf das allgemeine Abbestellen und beschreiben dieses Thema.

Worüber spricht Wayne? Beginnen wir mit dem aktuellen Zustand des Universums und drücken Sie Zurückspulen.



Das heutige Universum ist voller Sterne, die in riesige galaktische Strukturen und in großem Maßstab eingebunden sind - in Gruppen, Cluster und sich kreuzende Fäden. In dem Teil, den wir beobachten können, gibt es mindestens Hunderte von Milliarden von Galaxien, die über Entfernungen von mehreren zehn Milliarden Lichtjahren verstreut sind.

Aber wie ist das Universum so geworden? Es dehnte sich aus einem dichteren, komprimierten, gleichmäßigen und heißen Zustand aus. Jetzt ist alles so weit verstreut, dass sich das Universum schon sehr lange ausdehnt.



Durch die Extrapolation zurück stellen wir fest, dass der heute nicht sehr wichtige Parameter - die Temperatur des Universums, die nur 2,7 K beträgt - das Universum immer mehr beeinflusst. Bei geringer Dichte und Energie beeinflussen diese verbleibenden Photonen nichts, sie erscheinen nur in Form von „Schnee“ auf dem dritten Kanal, wenn Sie noch ein analoges Fernsehgerät mit Antennenantenne verwenden.



Aber als das Universum jünger und kleiner war, waren diese Photonen nicht nur dichter, da das Volumen des Universums kleiner war, sondern auch heißer, da die Wellenlänge des Photons seine Energie bestimmt. Wenn wir zurück extrapolieren, werden wir sehen, wie sich Mikrowellenstrahlung in Infrarot verwandelt, die Temperatur von mehreren Grad über dem absoluten Nullpunkt auf zweistellige, dreistellige Zahlen ansteigt, dann die Raumtemperatur, den Siedepunkt von Wasser, überschreitet und mit der Temperatur eines brennenden Sterns zu konkurrieren beginnt. Irgendwann wird alles so heiß, dass sich selbst neutrale Atome nicht bilden können, weil die Elektronen, die sie bilden, von einem Meer von Photonen aus ihren Bahnen geworfen werden.



Wenn Sie etwas weiter zurückspulen, werden wir zu einem Zeitpunkt kommen, an dem die Atomkerne nicht gebildet werden können, da sie in separate Protonen und Neutronen unterteilt sind. Infolgedessen können wir in einer Zeit, in der das Universum nur eine Sekunde alt war und die Photonen so energiereich waren, dass Materie und Antimaterie spontan in gleichen Mengen auftreten konnten, so weit gehen. Bevor sich das Universum in dieser Phase ausdehnte und abkühlte, war es nur eine „Suppe“ aus Materie, Antimaterie und Strahlung, in der die spontane Vernichtung von Materie und Antimaterie in reine Energie durch das spontane Auftreten von Materieteilchen und Antimaterie aus reiner Energie ausgeglichen wurde . Einsteins berühmteste Gleichung, E = mc 2 , funktioniert in beide Richtungen.



Je höher Ihre Energie ist, desto mehr schwere Partikelpaare können Sie spontan erzeugen. Wenn wir weit genug zurückspulen, wenn die durchschnittliche Energie im Universum groß genug war, um Paare von True-Anti-True-Quarks (die schwersten bekannten Teilchen) zu erzeugen, werden wir sehen, dass es damals viel weniger Photonen gab als heute.

Warum?

Dies liegt daran, dass sich ein Teilchen-Antiteilchen-Paar unter Bildung von zwei Photonen vernichten kann und bei ausreichend hohen Energien Photonen mit dem Auftreten eines Teilchen-Antiteilchen-Paares interagieren können!



Und obwohl es heute eine bestimmte Anzahl von Photonen gibt, stellen Sie sich alle grundlegenden Teilchen des Standardmodells vor, sowohl massiv als auch masselos. Alle sechs Quarks und Antiquarks, jeweils drei Farben, drei geladene Leptonen, drei Neutrinos, zusammen mit ihren Antiteilchen, acht Gluonen, drei schwachen Bosonen, einem Photon und einem Higgs-Boson, mit allen erlaubten Spin-Konfigurationen.



Anstelle von nur Photonen wird diese Energie gleichmäßig auf alle Arten von Partikeln verteilt. (In Übereinstimmung mit der Maxwell-Boltzmann-Energieverteilung und verwandten Statistiken: Fermi-Dirac für Fermionen und Bose-Einstein für Bosonen). Wenn die Energie und Temperatur hoch genug sind, erfolgt die Vernichtung von Partikeln / Antiteilchen ständig, jedoch mit der gleichen Häufigkeit wie die Erzeugung von Partikeln / Antiteilchen.

Wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, nimmt die Vernichtungsfrequenz ab, da es für Partikel schwieriger wird, ihre Antiteilchen zu finden, aber die Erzeugungsfrequenz sinkt noch mehr - die Energie fällt unter den für die Erzeugung erforderlichen Schwellenwert, wodurch die Häufigkeit der Paarbildung exponentiell abnimmt.



Glücklicherweise ist fast alles instabil, und genau das passiert, wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt (in der Reihenfolge) aus dem Zustand des „Meeres“, in dem alles (Partikel und Antiteilchen aller Art) genug schwimmt:
  • Die Paare von True-Anti-True-Quarks hören auf zu erscheinen, und die übrigen vernichten oder verfallen.
  • Higgs-Bosonenpaare hören auf zu erscheinen und die verbleibenden vernichten oder zerfallen. Dies fällt ungefähr mit der Verletzung der elektroschwachen Symmetrie zusammen.
  • Z_0 hört auf, spontan zu erscheinen, und die meisten der verbleibenden verfallen.
  • Die W + / W- Paare erscheinen nicht mehr und die meisten verbleibenden Paare zerfallen.
  • Die unteren / anti-unteren, Tau / Antitau-Paare, bezauberten / anti-verzauberten Quarks hören auf zu erscheinen und die verbleibenden vernichten und / oder verfallen.


In allen Fällen führt die Vernichtung oder der Zerfall massereicherer Partikel zur Erwärmung aller verbleibenden Partikel.

Dann passiert etwas Interessantes: Bevor das Universum auf den nächsten Schwellenwert abkühlt, um die Produktion von seltsamen / anti-seltsamen Quarks zu stoppen, wird es dünn genug und kalt genug gemacht, um vom Quark-Gluon-Plasma zu einzelnen Baryonen (Kombinationen von drei Quarks) zu gelangen. Antibaryonen (Kombinationen von drei Antiquarks) und Mesonen (Kombinationen von Quarks und Antiquarks). Und hier tritt zuerst die Beschränkung auf.



Danach kommt es zu folgender Vernichtung und Verfall:
  • / , / ;
  • / , ( , );
  • / /, , /;
  • , /;
  • /, /.


In diesem Moment verbleibt nur eine kleine Anzahl von Protonen und Neutronen, eine große Anzahl von Elektronen- und Positronenpaaren, Neutrinos / Antineutrinos und Photonen im Universum. Ja, und dunkle Materie, egal woraus sie besteht (und sie war immer vorhanden), die nach unseren Annahmen nicht mit anderen Teilchen interagiert.

Sie können entscheiden, dass die Elektronen / Positronen-Vernichtung als nächstes auftritt, aber zwei andere Ereignisse treten zuerst auf.



Erstens spielen Protonen und Neutronen ein Spiel: Protonen versuchen, sich mit Elektronen zu Neutronen und Neutrinos zu verbinden, und Neutronen und Neutrinos versuchen, in die andere Richtung zu gehen und Protonen und Elektronen zu produzieren. Auch Protonen und Antineutrinos können Neutronen und Positronen kombinieren und erzeugen, und eine Rückreaktion ist ebenfalls möglich. Für einige Millisekunden, was für unsere Geschichte ein anständiges Zeitintervall ist, treten diese Reaktionen mit der gleichen Häufigkeit auf. Mit abnehmender Energie und Temperatur beginnt sich jedoch ein kleiner Massenunterschied zwischen Proton und Neutron auszuwirken, und Reaktionen mit der Erzeugung von Protonen aus Neutronen werden etwas einfacher als Reaktionen mit der Erzeugung von Neutronen aus Protonen. Wenn sich das Alter des Universums dem zweiten nähert, variiert das Verhältnis von Protonen und Neutronen darin von 50/50 bis 85/15 zugunsten von Protonen.



Dann werden schwache Wechselwirkungen eingefroren - Wechselwirkungen, die es Neutrinos ermöglichen, Energie mit anderen Arten von Partikeln auszutauschen und Übergänge zwischen Photonen und Neutronen zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Häufigkeit von Wechselwirkungen, Energie und der effektive Querschnitt für Neutrinos und Antineutrinos zu gering werden, um an Reaktionen im Weltraum teilzunehmen. Bis zu diesem Zeitpunkt erhielten Elektronen / Positronen, Neutrinos / Antineutrinos und Photonen einen proportionalen Anteil der Energie aus der Vernichtung. Aber wenn die Neutrinos und Antineutrinos einfrieren, hören sie auf, an diesem Spiel teilzunehmen.



Wenn also die letzte Phase der Vernichtung eintritt, wenn das Universum abkühlt, so dass die Elektronen / Positronen-Paare nicht mehr entstehen, und einfach vernichtet wird und genügend Elektronen übrig bleiben, um die elektrische Ladung der Protonen zu kompensieren, verschmelzen sie die gesamte Energie zu Photonen und nicht zu Neutrinos und Antineutrino.

Daher wird die Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung - der Hintergrund der nach dem Urknall verbleibenden Photonen - bei 2,725 K gemessen, und die Hintergrundtemperatur der verbleibenden Neutrinos sollte im Bereich von 1,95 K oder genauer (4/11) 1/3 der Temperatur der Photonen liegen.



Und auch deshalb - nach drei Minuten mit einer Kleinigkeit - zerfiel ein Teil der verbleibenden Neutrinos und erhöhte das Verhältnis von Protonen zu Neutronen auf ~ 87,6 / 12,4. In diesem Schritt kühlten die Photonen schließlich ausreichend ab, so dass die Bildung der ersten Elemente beginnen konnte, die schwerer als Wasserstoff waren - die Nukleosynthese des Urknalls. Daher haben wir nach dem Urknall genau dieses Verhältnis von Wasserstoff und Helium erhalten: aufgrund der Rolle, die all diese Teilchen in den frühen Stadien des Universums spielen.



Ich hoffe, Sie eines Tages über die Entdeckung des kosmischen Hintergrunds von Neutrinos informieren zu können. Seine Entdeckung wurde letzten Monat bei einem AAS-Treffen bekannt gegeben, aber die Arbeit zu diesem Thema ist noch nicht erschienen. Ich denke, ich habe so viele Informationen wie möglich mitgebracht, um Sie nicht zu theoretischen Physikern zu machen, und ich hoffe, dass der Artikel gut ausgewogen war, um Ihren Bedürfnissen gerecht zu werden. Bisher ist dies die beste Geschichte über das Auftreten von Partikeln im Universum und ihr Verhalten in den frühen Stadien des heißen Urknalls und dann während des Abkühlens, der Vernichtung und des Zerfalls.

Vielen Dank für die wundervolle Frage, und ich hoffe, dass Ihnen und den anderen die Erklärung klar gemacht wurde. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Source: https://habr.com/ru/post/de396165/

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