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Pregúntele a Ethan No. 76: Un universo muy temprano

¿Qué sucedió cuando todo estaba tan caliente que la materia y la antimateria se formaron espontáneamente?


De la teoría especial de la relatividad se deduce que masa y energía son diferentes manifestaciones de la misma cosa, un concepto desconocido para la mente promedio.
- Albert Einstein

Cada semana tiene la oportunidad de enviar preguntas y sugerencias para convertirse en la estrella de nuestra columna diaria. Esta semana estamos siendo transportados a las primeras etapas del Big Bang gracias a Wayne King, quien pregunta:

Hay un período del que sabemos poco, este es el período de aniquilación de partículas y antipartículas. ¿Era "materia" en el sentido de protones y positrones? ¿Y qué pasó con los neutrones? ¿O fue alguna forma de energía compactada del campo de la cromodinámica cuántica? ¿Cómo apareció ella? ¿Quedaba algo en el proceso de aniquilación? ¿Cuánta energía se liberó y adónde fue?
La mayoría de los autores simplemente se limitan a darse de baja en general, describiendo este tema.

¿De qué está hablando Wayne? Comencemos con el estado actual del Universo y presione rebobinar.



El Universo de hoy está lleno de estrellas atadas a estructuras galácticas gigantes y a gran escala, en grupos, cúmulos e hilos que se cruzan. En la parte que podemos observar, hay al menos cientos de miles de millones de galaxias dispersas en distancias de decenas de miles de millones de años luz.

Pero, ¿cómo se hizo así el universo? Se expandió desde un estado más denso, comprimido, uniforme y caliente. Ahora todo está tan disperso, ya que el Universo se ha expandido durante mucho tiempo.



Al extrapolar hacia atrás, encontramos que el parámetro que no es muy importante hoy en día, la temperatura del Universo, que es solo 2.7 K, afecta al Universo cada vez más. A baja densidad y energía, estos fotones restantes no afectan nada, solo aparecen en forma de "nieve" en el tercer canal, si todavía está utilizando un televisor analógico con antena de antena.



Pero cuando el Universo era más joven y más pequeño, estos fotones no solo eran más densos, ya que el volumen del Universo era más pequeño, sino también más caliente, ya que la longitud de onda del fotón determina su energía. Extrapolando hacia atrás, veremos cómo la radiación de microondas se convierte en infrarrojo, la temperatura aumenta de varios grados por encima del cero absoluto a números de dos dígitos, tres dígitos, luego excede la temperatura ambiente, el punto de ebullición del agua, y comienza a competir con la temperatura de una estrella en llamas. En algún momento, todo se calienta tanto que incluso los átomos neutros no pueden formarse, porque los electrones que los forman son expulsados ​​de sus órbitas por un mar de fotones.



Si retrocede un poco más, llegaremos en un momento en que no se puedan formar los núcleos de los átomos, ya que se dividen en protones y neutrones separados. Y, como resultado, podemos llegar tan lejos en el tiempo cuando el Universo tenía solo un segundo de edad y los fotones eran tan enérgicos que la materia y la antimateria podrían aparecer espontáneamente en cantidades iguales. Antes de que el Universo se expandiera y enfriara, pasando por esta fase, era solo una "sopa" de materia, antimateria y radiación, en la que la aniquilación espontánea de materia y antimateria en energía pura se equilibraba con la aparición espontánea de partículas de materia y antimateria de energía pura. . La ecuación más famosa de Einstein, E = mc 2 , funciona en ambos sentidos.



Cuanto mayor sea su energía, más pares pesados ​​de partículas puede crear espontáneamente. Mirando hacia atrás lo suficiente cuando la energía promedio en el Universo era lo suficientemente grande como para crear pares de quarks verdadero-anti-verdadero (las partículas más pesadas conocidas), veremos que entonces había muchos menos fotones que ahora.

Por qué

¡Esto se debe a que un par de partículas y antipartículas puede aniquilarse con la formación de dos fotones, y a energías suficientemente altas, los fotones pueden interactuar con la apariencia de un par de partículas y antipartículas!



Y aunque hoy hay una cierta cantidad de fotones, imagine todas las partículas fundamentales del Modelo Estándar, tanto masivas como sin masa. Los seis quarks y antiquarks, tres colores cada uno, tres leptones cargados, tres neutrinos, junto con sus antipartículas, ocho gluones, tres bosones débiles, un fotón y un bosón de Higgs, con todas las configuraciones de espín permitidas.



En lugar de solo fotones, esta energía se distribuye por igual entre todos los tipos de partículas. (De acuerdo con la distribución de energía de Maxwell-Boltzmann y estadísticas relacionadas: Fermi-Dirac para fermiones y Bose-Einstein para bosones). Cuando la energía y la temperatura son lo suficientemente altas, la aniquilación de partículas / antipartículas ocurre todo el tiempo, pero con la misma frecuencia que la creación de partículas / antipartículas.

A medida que el Universo se expande y se enfría, la frecuencia de aniquilación disminuye, porque las partículas encuentran más difícil encontrar sus antipartículas, pero la frecuencia de creación cae aún más: la energía cae por debajo del umbral necesario para crear, como resultado de lo cual la frecuencia de creación de pares disminuye exponencialmente.



Afortunadamente, casi todo es inestable, así que esto es lo que sucede cuando el Universo se expande y se enfría (en orden) desde el estado del "mar", en el que todo (partículas y antipartículas de todo tipo) flota lo suficiente:
  • Los pares de quarks verdadero-anti-verdadero dejan de aparecer, y los restantes se aniquilan o decaen.
  • Los pares de bosones de Higgs dejan de aparecer y el resto se aniquila o se descompone. Esto coincide aproximadamente con la violación de la simetría de electroválvula.
  • Z_0 deja de aparecer espontáneamente, y la mayoría de los restantes se descomponen.
  • Los pares W + / W- dejan de aparecer, y la mayoría de los pares restantes decaen.
  • Los pares inferior / anti-inferior, tau / antitau, quarks encantados / anti-encantados dejan de aparecer, y los restantes aniquilan y / o decaen.


En todos los casos, la aniquilación o la descomposición de partículas más masivas conduce al calentamiento de todas las partículas restantes.

Entonces sucede algo interesante: antes de que el Universo se enfríe al siguiente valor umbral para detener la producción de quarks extraños / anti-extraños, se hace lo suficientemente delgado y lo suficientemente frío como para pasar del plasma quark-gluon a bariones individuales (combinaciones de tres quarks), Antiarionones (combinaciones de tres antiquarks) y mesones (combinaciones de quarks y antiquarks). Y aquí se produce el encierro primero.



Después de esto, se produce la siguiente aniquilación y descomposición:
  • / , / ;
  • / , ( , );
  • / /, , /;
  • , /;
  • /, /.


En este momento, solo una pequeña cantidad de protones y neutrones, una gran cantidad de pares de electrones y positrones, neutrinos / antineutrinos y fotones permanecen en el Universo. Sí, y la materia oscura, no importa en qué consiste (y siempre estuvo presente), que, según nuestras suposiciones, no interactúa con otras partículas.

Puede decidir que la aniquilación de electrones / positrones ocurra a continuación, pero primero ocurren otros dos eventos.



Primero, los protones y los neutrones juegan un juego: los protones intentan combinarse con los electrones para formar neutrones y neutrinos, y los neutrones y neutrinos intentan ir hacia el otro lado, produciendo protones y electrones. Además, los protones y los antineutrinos pueden combinarse y crear neutrones y positrones, y también es posible una reacción inversa. Durante unos pocos milisegundos, que para nuestra historia es un intervalo de tiempo decente, estas reacciones ocurren con la misma frecuencia. Pero con una disminución en la energía y la temperatura, una pequeña diferencia de masa entre el protón y el neutrón comienza a afectar, y las reacciones con la creación de protones a partir de neutrones se vuelven un poco más fáciles que las reacciones con la creación de neutrones a partir de protones. Para cuando la edad del Universo se aproxima a un segundo, la proporción de protones y neutrones en él varía de 50/50 a 85/15 a favor de los protones.



Luego, las interacciones débiles, interacciones que permiten que los neutrinos intercambien energía con otros tipos de partículas, y que permiten que ocurran transiciones entre fotones y neutrones, se congelan. Esto significa que la frecuencia de las interacciones, la energía y la sección transversal efectiva se vuelven demasiado pequeñas para que los neutrinos y antineutrinos participen en las reacciones que tienen lugar en el espacio. Hasta este punto, los electrones / positrones, los neutrinos / antineutrinos y los fotones recibieron una fracción proporcional de la energía de la aniquilación. Pero cuando los neutrinos y antineutrinos se congelan, dejan de participar en este juego.



Y así, cuando ocurre la fase final de la aniquilación, cuando el Universo se enfría para que los pares de electrones / positrones ya no se creen, y simplemente se aniquilan, dejando suficientes electrones para compensar la carga eléctrica de los protones), fusionan toda la energía en fotones, no en neutrinos y antineutrino.

Por lo tanto, la temperatura de la radiación de fondo cósmico de microondas, el fondo de los fotones que quedan después del Big Bang, se mide a 2.725 K, y la temperatura de fondo de los neutrinos restantes debe estar en la región de 1.95 K o, más precisamente, (4/11) 1/3 de la temperatura de los fotones.



Y también debido a esto, después de tres minutos con un poco, parte de los neutrinos restantes se descompuso, aumentando la proporción de protones a neutrones a ~ 87.6 / 12.4. En este paso, los fotones finalmente se enfriaron lo suficiente como para que pudiera comenzar la formación de los primeros elementos más pesados ​​que el hidrógeno: la nucleosíntesis del Big Bang. Es por eso que obtuvimos exactamente esa proporción de hidrógeno y helio después del Big Bang: debido al papel desempeñado por todas estas partículas en las primeras etapas del Universo.



Algún día espero informarles sobre el descubrimiento del fondo cósmico de los neutrinos. Su descubrimiento fue anunciado el mes pasado en una reunión de AAS, pero el trabajo sobre este tema aún no ha aparecido. Creo que he traído la mayor cantidad de información posible para no convertirlo en físicos teóricos, y espero que el artículo esté bien equilibrado para satisfacer sus necesidades. Hasta ahora, esta es la mejor de las historias sobre la aparición de partículas en el Universo y su comportamiento en las primeras etapas del Big Bang, y luego durante el enfriamiento, la aniquilación y la descomposición.

Gracias por la maravillosa pregunta, y espero que la explicación haya sido clara para usted y el resto. Envíame tus preguntas y sugerencias para los siguientes artículos.

Source: https://habr.com/ru/post/es396165/

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