👊🏽 👊 📲 Demandez à Ethan n ° 76: un univers très précoce 😮 🗻 👩🏼‍🌾

Que s'est-il passé lorsque tout était si chaud que la matière et l'antimatière se sont formées spontanément?

Il résulte de la théorie spéciale de la relativité que la masse et l'énergie sont des manifestations différentes de la même chose - un concept inconnu de l'esprit moyen.
- Albert Einstein

Chaque semaine, vous avez la possibilité d'envoyer des questions et des suggestions pour devenir la star de notre chronique quotidienne. Cette semaine, nous sommes transportés aux premiers stades du Big Bang grâce à Wayne King, qui demande:

Il y a une période que nous connaissons peu, c'est la période de l'anéantissement des particules et des antiparticules. Était-ce de la «matière» au sens de protons et de positons? Et qu'est-il arrivé aux neutrons? Ou s'agissait-il d'une forme d'énergie compactée provenant du domaine de la chromodynamique quantique? Comment est-elle apparue? Restait-il quelque chose dans le processus d'annihilation? Quelle quantité d'énergie a été libérée et où est-elle allée?
La plupart des auteurs sont simplement limités à la désinscription générale, décrivant ce sujet.

De quoi parle Wayne? Commençons par l'état actuel de l'Univers et appuyez sur rembobinage.

L'univers d'aujourd'hui est rempli d'étoiles liées à des structures galactiques géantes et à grande échelle - en groupes, en amas et en fils entrecroisés. Dans la partie que nous pouvons observer, il y a au moins des centaines de milliards de galaxies dispersées sur des distances de dizaines de milliards d'années-lumière.

Mais comment l'univers est-il devenu ainsi? Il est passé d'un état plus dense, comprimé, uniforme et chaud. Maintenant, tout est dispersé jusqu'à présent, car l'Univers se développe depuis très longtemps.

En extrapolant en retour, nous constatons que le paramètre qui n'est pas très important aujourd'hui - la température de l'Univers, qui n'est que de 2,7 K - affecte de plus en plus l'Univers. À faible densité et énergie, ces photons restants n'affectent rien, ils n'apparaissent que sous forme de «neige» sur le troisième canal, si vous utilisez toujours un téléviseur analogique avec antenne antenne.

Mais lorsque l'Univers était plus jeune et plus petit, ces photons étaient non seulement plus denses, car le volume de l'Univers était plus petit, mais aussi plus chaud, car la longueur d'onde du photon détermine son énergie. En extrapolant en arrière, nous verrons comment le rayonnement micro-ondes se transforme en infrarouge, la température passe de plusieurs degrés au-dessus du zéro absolu à des nombres à deux chiffres, à trois chiffres, puis dépasse la température ambiante, le point d'ébullition de l'eau, et commence à rivaliser avec la température d'une étoile en feu. À un moment donné, tout devient si chaud que même des atomes neutres ne peuvent pas se former, car les électrons qui les forment sont chassés de leurs orbites par une mer de photons.

Si vous rembobinez un peu plus, nous arriverons à un moment où les noyaux d'atomes ne peuvent pas se former, car ils sont divisés en protons et neutrons séparés. Et, par conséquent, nous pouvons aller si loin dans le temps où l'Univers n'avait qu'une seconde et que les photons étaient si énergétiques que la matière et l'antimatière pouvaient apparaître spontanément en quantités égales. Avant que l'Univers ne se dilate et ne se refroidisse, passant par cette phase, ce n'était qu'une «soupe» de matière, d'antimatière et de rayonnement, dans laquelle l'anéantissement spontané de la matière et de l'antimatière en énergie pure était équilibré par l'apparition spontanée de particules de matière et d'antimatière d'énergie pure . L'équation la plus célèbre d'Einstein, E = mc ² , fonctionne dans les deux sens.

Plus votre énergie est élevée, plus vous pouvez créer spontanément des paires de particules plus lourdes. En remontant suffisamment loin lorsque l'énergie moyenne dans l'Univers était suffisamment grande pour créer des paires de quarks vrai-anti-vrai (les particules les plus lourdes connues), nous verrons qu'il y avait alors beaucoup moins de photons qu'aujourd'hui.

Pourquoi?

En effet, une paire particule-antiparticule peut s'annihiler avec la formation de deux photons, et à des énergies suffisamment élevées, les photons peuvent interagir avec l'apparition d'une paire particule-antiparticule!

Et bien qu'il existe aujourd'hui un certain nombre de photons, imaginez toutes les particules fondamentales du modèle standard, massives et sans masse. Les six quarks et antiquarks, trois couleurs chacun, trois leptons chargés, trois neutrinos, ainsi que leurs antiparticules, huit gluons, trois bosons faibles, un photon et un boson de Higgs, avec toutes les configurations de spin autorisées.

Au lieu de simplement des photons, cette énergie est répartie également entre tous les types de particules. (Conformément à la distribution d'énergie de Maxwell-Boltzmann et aux statistiques associées: Fermi-Dirac pour les fermions et Bose-Einstein pour les bosons). Lorsque l'énergie et la température sont suffisamment élevées, l'annihilation des particules / antiparticules se produit tout le temps, mais avec la même fréquence que la création de particules / antiparticules.

Au fur et à mesure que l'Univers se dilate et se refroidit, la fréquence d'annihilation diminue, car il devient plus difficile pour les particules de trouver leurs antiparticules, mais la fréquence de création diminue encore plus - l'énergie tombe en dessous du seuil nécessaire pour créer, à la suite de quoi la fréquence de création de paires diminue de façon exponentielle.

Heureusement, presque tout est instable, c'est donc ce qui se produit lorsque l'Univers se dilate et se refroidit (dans l'ordre) à partir de l'état de «mer», dans lequel tout (particules et antiparticules de toutes sortes) flotte suffisamment:

Les paires de quarks vrai-anti-vrai cessent d'apparaître, et les autres s'anéantissent ou se désintègrent.
Les paires de bosons de Higgs cessent d'apparaître et le reste s'anéantit ou se désintègre. Cela coïncide approximativement avec la violation de la symétrie électro-faible.
Z_0 cesse d'apparaître spontanément et la plupart des autres se désintègrent.
Les paires W + / W- cessent d'apparaître et la plupart des paires restantes se désintègrent.
Les paires inférieures / anti-inférieures, tau / antitau, les quarks charmés / anti-enchantés cessent d'apparaître, et les autres annihilent et / ou se désintègrent.

Dans tous les cas, l'annihilation ou la désintégration de particules plus massives conduit au chauffage de toutes les particules restantes.

Puis quelque chose d'intéressant se produit: avant que l'Univers ne refroidisse à la prochaine valeur seuil pour arrêter la production de quarks étranges / anti-étranges, il est rendu suffisamment mince et assez froid pour passer d'un plasma de quarks-gluons à des baryons individuels (combinaisons de trois quarks), les antibaryons (combinaisons de trois antiquarks) et les mésons (combinaisons de quarks et d'antiquarks). Et c'est ici que le confinement se produit.

Après cela, l'anéantissement et la décomposition suivants se produisent:

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/ , ( , );
/ /, , /;
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/, /.

En ce moment, il ne reste dans l'Univers qu'un petit nombre de protons et de neutrons, un grand nombre de paires d'électrons et de positrons, de neutrinos / antineutrinos et de photons. Oui, et la matière noire, peu importe en quoi elle consiste (et elle a toujours été présente), qui, selon nos hypothèses, n'interagit pas avec les autres particules.

Vous pouvez décider que l'annihilation électron / positron se produit ensuite, mais deux autres événements se produisent en premier.

Premièrement, les protons et les neutrons jouent un jeu: les protons essaient de se combiner avec les électrons pour former des neutrons et des neutrinos, et les neutrons et les neutrinos essaient d'aller dans l'autre sens, produisant des protons et des électrons. De plus, les protons et les antineutrinos peuvent se combiner et créer des neutrons et des positons, et une réaction inverse est également possible. Pendant quelques millisecondes, ce qui pour notre histoire est un intervalle de temps décent, ces réactions se produisent avec la même fréquence. Mais avec une diminution de l'énergie et de la température, une petite différence de masse entre le proton et le neutron commence à affecter, et les réactions avec la création de protons à partir de neutrons deviennent un peu plus faciles que les réactions avec la création de neutrons à partir de protons. Au moment où l'âge de l'Univers s'approche de la seconde, le rapport des protons et des neutrons en elle varie de 50/50 à 85/15 en faveur des protons.

Ensuite, les interactions faibles - interactions qui permettent aux neutrinos d'échanger de l'énergie avec d'autres types de particules et qui permettent aux transitions entre photons et neutrons de se produire - sont gelées. Cela signifie que la fréquence des interactions, l'énergie et la section efficace deviennent trop petites pour que les neutrinos et les antineutrinos participent aux réactions qui ont lieu dans l'espace. Jusqu'à ce point, les électrons / positrons, les neutrinos / antineutrinos et les photons ont tous reçu une fraction proportionnelle de l'énergie de l'anéantissement. Mais quand les neutrinos et les antineutrinos gèlent, ils arrêtent de participer à ce jeu.

Et donc, lorsque la phase finale de l'anéantissement se produit, lorsque l'Univers se refroidit de sorte que les paires électron / positron ne sont plus créées, et simplement annihilées, laissant suffisamment d'électrons pour compenser la charge électrique des protons), elles fusionnent toute l'énergie en photons et non en neutrinos et antineutrino.

Par conséquent, la température du rayonnement de fond cosmique micro-ondes - le fond des photons laissés après le Big Bang - est mesurée à 2,725 K, et la température de fond des neutrinos restants devrait être de l'ordre de 1,95 K ou, plus précisément, (4/11) ^1/3 de la température des photons.

Et aussi à cause de cela - après trois minutes avec une bagatelle - une partie des neutrinos restants se sont désintégrés, augmentant le rapport protons / neutrons à ~ 87,6 / 12,4. À cette étape, les photons ont finalement suffisamment refroidi pour que la formation des premiers éléments plus lourds que l'hydrogène puisse commencer - la nucléosynthèse du Big Bang. C'est pourquoi nous avons obtenu exactement un tel rapport d'hydrogène et d'hélium après le Big Bang: à cause des rôles joués par toutes ces particules dans les premiers stades de l'Univers.

Un jour, j'espère vous informer de la découverte du fond cosmique des neutrinos. Sa découverte a été annoncée le mois dernier lors d'une réunion de l'AAS, mais les travaux sur ce sujet n'ont pas encore été publiés. Je pense avoir apporté autant d'informations que possible afin de ne pas vous transformer en physiciens théoriciens, et j'espère que l'article était bien équilibré pour répondre à vos besoins. Jusqu'à présent, c'est la meilleure des histoires de l'apparition de particules dans l'Univers et de leur comportement aux premiers stades du Big Bang chaud, puis pendant le refroidissement, l'anéantissement et la décomposition.

Merci pour la merveilleuse question, et j'espère que l'explication a été claire pour vous et les autres. Envoyez-moi vos questions et suggestions pour les articles suivants.

Demandez à Ethan n ° 76: un univers très précoce

Que s'est-il passé lorsque tout était si chaud que la matière et l'antimatière se sont formées spontanément?

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