Geekly articles weekly

Tanyakan Ethan No. 76: A Universe Sangat Awal

Apa yang terjadi ketika semuanya begitu panas sehingga materi dan antimateri terbentuk secara spontan?


Ini mengikuti dari teori relativitas khusus bahwa massa dan energi adalah manifestasi berbeda dari hal yang sama - sebuah konsep yang tidak dikenal oleh pikiran rata-rata.
- Albert Einstein

Setiap minggu Anda memiliki kesempatan untuk mengirim pertanyaan dan saran untuk menjadi bintang di kolom harian kami. Minggu ini kita diangkut ke tahap awal Big Bang berkat Wayne King, yang bertanya:

Ada periode yang hanya sedikit kita ketahui, ini adalah periode penghancuran partikel dan antipartikel. Apakah itu "penting" dalam arti proton dan positron? Dan apa yang terjadi dengan neutron? Atau apakah itu semacam bentuk energi yang dipadatkan dari bidang kromodinamik kuantum? Bagaimana dia muncul? Apakah ada yang tersisa dalam proses pemusnahan? Berapa banyak energi yang dikeluarkan, dan kemana perginya?
Sebagian besar penulis hanya terbatas pada berhenti berlangganan umum, menggambarkan topik ini.

Apa yang dibicarakan Wayne? Mari kita mulai dengan keadaan Universe saat ini, dan tekan rewind.



Alam Semesta Hari Ini dipenuhi dengan bintang-bintang yang diikat ke dalam struktur galaksi raksasa, dan dalam skala besar - ke dalam kelompok, kelompok, dan benang yang berpotongan. Pada bagian yang dapat kita amati, setidaknya ada ratusan miliar galaksi yang tersebar dalam jarak puluhan miliar tahun cahaya.

Tetapi bagaimana jagat raya menjadi demikian? Itu berkembang dari keadaan yang lebih padat, terkompresi, seragam dan panas. Sekarang semuanya tersebar sejauh Alam Semesta telah berkembang untuk waktu yang sangat lama.



Dengan mengekstrapolasi kembali, kami menemukan bahwa parameter yang tidak terlalu penting saat ini - suhu Alam Semesta, yang hanya 2,7 K - semakin mempengaruhi Alam Semesta. Pada kepadatan dan energi yang rendah, foton yang tersisa ini tidak memengaruhi apa pun, foton hanya muncul dalam bentuk "salju" pada saluran ketiga, jika Anda masih menggunakan TV analog dengan antena antena.



Tetapi ketika Alam Semesta lebih muda dan lebih kecil, foton ini tidak hanya lebih padat, karena volume Semesta lebih kecil, tetapi juga lebih panas, karena panjang gelombang foton menentukan energinya. Ekstrapolasi kembali, kita akan melihat bagaimana radiasi gelombang mikro berubah menjadi inframerah, suhu naik dari beberapa derajat di atas nol mutlak menjadi dua digit angka, tiga digit, kemudian melebihi suhu kamar, titik didih air, dan mulai bersaing dengan suhu bintang yang terbakar. Pada titik tertentu, semuanya menjadi sangat panas sehingga atom netral pun tidak dapat terbentuk, karena elektron yang membentuknya tersingkir dari orbitnya oleh lautan foton.



Jika Anda mundur sedikit lagi, kita akan tiba pada saat inti atom tidak dapat terbentuk, karena mereka terbagi menjadi proton dan neutron yang terpisah. Dan, sebagai hasilnya, kita dapat melangkah jauh ke masa ketika Semesta baru berusia satu detik dan fotonnya begitu energik sehingga materi dan antimateri dapat secara spontan muncul dalam jumlah yang sama. Sebelum Alam Semesta mengembang dan mendingin, melewati fase ini, ia hanyalah "sup" materi, antimateri, dan radiasi, di mana penghancuran materi dan antimateri secara spontan menjadi energi murni diimbangi oleh kemunculan spontan partikel-partikel materi dan antimateri dari energi murni. . Persamaan Einstein yang paling terkenal, E = mc 2 , bekerja dua arah.



Semakin tinggi energi Anda, pasangan partikel yang lebih berat dapat Anda buat secara spontan. Mengulur ke belakang cukup jauh ketika energi rata-rata di Semesta cukup besar untuk menciptakan pasangan quark benar-anti-sejati (partikel terberat yang diketahui), kita akan melihat bahwa saat itu ada foton yang jauh lebih sedikit daripada sekarang.

Mengapa

Ini karena pasangan partikel-antipartikel dapat memusnahkan dengan pembentukan dua foton, dan pada energi yang cukup tinggi, foton dapat berinteraksi dengan penampilan pasangan partikel-antipartikel!



Dan meskipun hari ini ada sejumlah foton, bayangkan semua partikel mendasar dari Model Standar, baik yang besar maupun yang tidak bermassa. Keenam quark dan antiquark, masing-masing tiga warna, tiga lepton bermuatan, tiga neutrino, bersama dengan antipartikel mereka, delapan gluon, tiga boson lemah, foton dan boson Higgs, dengan semua konfigurasi putaran yang diizinkan.



Alih-alih hanya foton, energi ini didistribusikan secara merata di antara semua jenis partikel. (Sesuai dengan distribusi energi Maxwell-Boltzmann dan statistik terkait: Fermi-Dirac untuk fermion dan Bose-Einstein untuk boson). Ketika energi dan suhu cukup tinggi, penghancuran partikel / antipartikel terjadi sepanjang waktu, tetapi dengan frekuensi yang sama dengan penciptaan partikel / antipartikel.

Ketika Alam Semesta mengembang dan mendingin, frekuensi penghancuran menurun, karena semakin sulit bagi partikel untuk menemukan antipartikelnya, tetapi frekuensi kreasi semakin turun - energinya turun di bawah ambang batas yang dibutuhkan untuk membuat, sebagai akibatnya frekuensi kreasi pasangan menurun secara eksponensial.



Untungnya, hampir semuanya tidak stabil, jadi inilah yang terjadi ketika Semesta mengembang dan mendingin (secara berurutan) dari keadaan "laut", di mana segala sesuatu (partikel dan partikel anti-partikel) cukup mengapung:
  • Pasangan quark true-anti-true berhenti muncul, dan yang tersisa memusnahkan atau membusuk.
  • Pasangan Higgs boson berhenti muncul, dan sisanya memusnahkan atau membusuk. Ini kira-kira bertepatan dengan pelanggaran simetri elektroweak.
  • Z_0 berhenti muncul secara spontan, dan sebagian besar sisanya membusuk.
  • Pasangan W + / W berhenti muncul, dan sebagian besar pasangan yang tersisa membusuk.
  • Pasangan bawah / anti-rendah, tau / antitau, quark terpesona / anti-terpesona berhenti muncul, dan yang tersisa memusnahkan dan / atau membusuk.


Dalam semua kasus, penghancuran atau pembusukan partikel yang lebih masif menyebabkan pemanasan semua partikel yang tersisa.

Kemudian sesuatu yang menarik terjadi: sebelum Semesta mendingin ke nilai ambang batas berikutnya untuk menghentikan produksi quark aneh / anti-aneh, ia dibuat cukup tipis dan cukup dingin untuk bergerak dari plasma quark-gluon ke baryon individu (kombinasi dari tiga quark), antibaryons (kombinasi dari tiga antiquark), dan meson (kombinasi quark dan antiquark). Dan di sini kurungan pertama kali terjadi.



Setelah ini, pemusnahan dan pembusukan berikut terjadi:
  • / , / ;
  • / , ( , );
  • / /, , /;
  • , /;
  • /, /.


Pada saat ini, hanya sejumlah kecil proton dan neutron, sejumlah besar pasangan elektron dan positron, neutrino / antineutrino dan foton yang tersisa di Semesta. Ya, dan materi gelap, tidak peduli apa yang terdiri dari (dan selalu ada), yang, menurut asumsi kami, tidak berinteraksi dengan partikel lain.

Anda dapat memutuskan bahwa pemusnahan elektron / positron terjadi berikutnya, tetapi dua peristiwa lainnya terjadi terlebih dahulu.



Pertama, proton dan neutron memainkan permainan: proton mencoba bergabung dengan elektron untuk membentuk neutron dan neutrino, dan neutron dan neutrino mencoba bergerak ke arah lain, menghasilkan proton dan elektron. Juga, proton dan antineutrino dapat menggabungkan dan membuat neutron dan positron, dan reaksi balik juga dimungkinkan. Selama beberapa milidetik, yang bagi sejarah kita adalah interval waktu yang layak, reaksi-reaksi ini terjadi dengan frekuensi yang sama. Tetapi dengan penurunan energi dan suhu, perbedaan massa kecil antara proton dan neutron mulai mempengaruhi, dan reaksi dengan penciptaan proton dari neutron menjadi sedikit lebih mudah daripada reaksi dengan penciptaan neutron dari proton. Pada saat usia Alam Semesta mendekati yang kedua, rasio proton dan neutron di dalamnya bervariasi dari 50/50 hingga 85/15 yang mendukung proton.



Kemudian interaksi yang lemah - interaksi yang memungkinkan neutrino untuk bertukar energi dengan jenis partikel lain, dan yang memungkinkan terjadinya transisi antara foton dan neutron - dibekukan. Ini berarti bahwa frekuensi interaksi, energi, dan penampang yang efektif menjadi terlalu kecil untuk neutrino dan antineutrino untuk berpartisipasi dalam reaksi yang terjadi di ruang angkasa. Hingga titik ini, elektron / positron, neutrino / antineutrino, dan foton semuanya menerima sebagian kecil dari energi dari penghancuran. Tetapi ketika neutrino dan antineutrino membeku, mereka berhenti berpartisipasi dalam permainan ini.



Jadi, ketika fase akhir pemusnahan terjadi, ketika Semesta mendingin sehingga pasangan elektron / positron tidak lagi dibuat, dan hanya memusnahkan, meninggalkan cukup elektron untuk mengimbangi muatan listrik proton), mereka menggabungkan semua energi menjadi foton, dan tidak menjadi neutrino dan antineutrino.

Oleh karena itu, suhu radiasi latar belakang kosmik gelombang mikro - latar belakang foton yang tersisa setelah Big Bang - diukur pada 2,725 K, dan suhu latar belakang neutrino yang tersisa harus berada di wilayah 1,95 K atau, lebih tepatnya, (4/11) 1/3 dari suhu foton.



Dan juga karena ini - setelah tiga menit dengan sedikit - bagian dari neutrino yang tersisa membusuk, meningkatkan rasio proton terhadap neutron menjadi ~ 87,6 / 12,4. Pada langkah ini, foton akhirnya cukup dingin sehingga pembentukan unsur pertama yang lebih berat dari hidrogen dapat dimulai - nukleosintesis Big Bang. Itulah sebabnya kami mendapatkan perbandingan hidrogen dan helium yang persis seperti itu setelah Big Bang: karena peran yang dimainkan oleh semua partikel ini pada tahap awal Semesta.



Suatu hari saya berharap untuk memberi tahu Anda tentang penemuan latar belakang kosmik neutrino. Penemuannya diumumkan bulan lalu pada pertemuan AAS, tetapi pekerjaan tentang topik ini belum muncul. Saya pikir saya telah membawa informasi sebanyak mungkin agar tidak mengubah Anda menjadi fisikawan teoretis, dan saya harap artikel itu seimbang untuk memenuhi kebutuhan Anda. Sejauh ini, ini adalah yang terbaik dari kisah-kisah tentang penampakan partikel-partikel di Semesta dan perilaku mereka pada tahap-tahap awal Big Bang yang panas, dan kemudian selama pendinginan, pemusnahan, dan pembusukan.

Terima kasih atas pertanyaan yang luar biasa ini, dan saya harap penjelasannya menjadi jelas bagi Anda dan yang lainnya. Kirimkan saya pertanyaan dan saran Anda untuk artikel berikut.

Source: https://habr.com/ru/post/id396165/

More articles:


All Articles