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Pergunte a Ethan nº 76: um universo muito antigo

O que aconteceu quando tudo estava tão quente que a matéria e a antimatéria se formaram espontaneamente?


Resulta da teoria especial da relatividade que massa e energia são manifestações diferentes da mesma coisa - um conceito desconhecido da mente comum.
- Albert Einstein

Toda semana você tem a oportunidade de enviar perguntas e sugestões para se tornar a estrela da nossa coluna diária. Nesta semana, estamos sendo transportados para os primeiros estágios do Big Bang, graças a Wayne King, que pergunta:

Há um período que sabemos pouco, esse é o período de aniquilação de partículas e antipartículas. Era "matéria" no sentido de prótons e pósitrons? E o que aconteceu com os nêutrons? Ou era alguma forma de energia compactada do campo da cromodinâmica quântica? Como ela apareceu? Restou alguma coisa no processo de aniquilação? Quanta energia foi liberada e para onde foi?
A maioria dos autores simplesmente se limita a cancelar a inscrição em geral, descrevendo este tópico.

Do que Wayne está falando? Vamos começar com o estado atual do universo e pressionar retroceder.



O Universo de hoje está cheio de estrelas amarradas em estruturas galácticas gigantes e em grandes escalas - em grupos, aglomerados e fios que se cruzam. Na parte que podemos observar, existem pelo menos centenas de bilhões de galáxias espalhadas por distâncias de dezenas de bilhões de anos-luz.

Mas como o universo se tornou assim? Expandiu-se de um estado mais denso, comprimido, uniforme e quente. Agora, tudo está tão disperso, pois o Universo se expande há muito tempo.



Extrapolando de volta, descobrimos que o parâmetro que não é muito importante hoje - a temperatura do Universo, que é de apenas 2,7 K - afeta cada vez mais o Universo. Com baixa densidade e energia, esses fótons restantes não afetam nada, eles aparecem apenas na forma de "neve" no terceiro canal, se você ainda estiver usando uma TV analógica com antena.



Mas quando o Universo era mais jovem e menor, esses fótons não eram apenas mais densos, pois o volume do Universo era menor, mas também mais quente, uma vez que o comprimento de onda do fóton determina sua energia. Extrapolando de volta, veremos como a radiação de microondas se transforma em infravermelho, a temperatura sobe de vários graus acima do zero absoluto para números de dois dígitos, três dígitos e depois excede a temperatura ambiente, o ponto de ebulição da água e começa a competir com a temperatura de uma estrela em chamas. Em algum momento, tudo fica tão quente que até átomos neutros não podem se formar, porque os elétrons que os formam são nocauteados por um mar de fótons.



Se você retroceder um pouco mais, chegaremos a um momento em que os núcleos de átomos não podem ser formados, pois são divididos em prótons e nêutrons separados. E, como resultado, podemos ir tão longe no tempo em que o Universo tinha apenas um segundo e os fótons eram tão energéticos que a matéria e a antimatéria podiam aparecer espontaneamente em quantidades iguais. Antes que o Universo se expandisse e esfriasse, passando por essa fase, era apenas uma “sopa” de matéria, antimatéria e radiação, na qual a aniquilação espontânea de matéria e antimatéria em energia pura era equilibrada pelo aparecimento espontâneo de partículas de matéria e antimatéria da energia pura. . A equação mais famosa de Einstein, E = mc 2 , funciona nos dois sentidos.



Quanto maior a sua energia, mais pares pesados ​​de partículas você pode criar espontaneamente. Retrocedendo o suficiente quando a energia média no Universo era grande o suficiente para criar pares de quarks verdadeiros e verdadeiros (as partículas mais pesadas conhecidas), veremos que havia muito menos fótons do que agora.

Porque

Isso ocorre porque um par partícula-antipartícula pode aniquilar-se com a formação de dois fótons e, com energias suficientemente altas, os fótons podem interagir com a aparência de um par partícula-antipartícula!



E embora hoje exista um certo número de fótons, imagine todas as partículas fundamentais do Modelo Padrão, massivas e sem massa. Todos os seis quarks e antiquarks, três cores cada, três léptons carregados, três neutrinos, juntamente com suas antipartículas, oito glúons, três bósons fracos, um fóton e um bóson de Higgs, com todas as configurações de rotação permitidas.



Em vez de apenas fótons, essa energia é distribuída igualmente entre todos os tipos de partículas. (De acordo com a distribuição de energia de Maxwell-Boltzmann e estatísticas relacionadas: Fermi-Dirac para férmions e Bose-Einstein para bósons). Quando a energia e a temperatura são altas o suficiente, a aniquilação de partículas / antipartículas ocorre o tempo todo, mas com a mesma frequência que a criação de partículas / antipartículas.

À medida que o Universo se expande e esfria, a frequência de aniquilação diminui, porque fica mais difícil as partículas encontrarem suas antipartículas, mas a frequência de criação cai ainda mais - a energia cai abaixo do limite necessário para a criação, como resultado da qual a frequência de criação de pares diminui exponencialmente.



Felizmente, quase tudo é instável, então é isso que acontece quando o Universo se expande e esfria (em ordem) do estado do “mar”, no qual tudo (partículas e antipartículas de todos os tipos) flutua o suficiente:
  • Os pares de quarks verdadeiros e verdadeiros deixam de aparecer, e os restantes aniquilam ou decaem.
  • Os pares de bóson de Higgs deixam de aparecer, e os demais aniquilam ou decaem. Isso coincide aproximadamente com a violação da simetria eletrofraca.
  • Z_0 deixa de aparecer espontaneamente, e a maioria dos restantes se deteriora.
  • Os pares W + / W- deixam de aparecer e a maioria dos pares restantes decai.
  • Os pares inferior / anti-inferior, tau / antitau, quarks encantados / anti-encantados deixam de aparecer, e os demais aniquilam e / ou decaem.


Em todos os casos, a aniquilação ou deterioração de partículas mais massivas leva ao aquecimento de todas as partículas restantes.

Então, algo interessante acontece: antes que o Universo esfrie para o próximo valor limiar para interromper a produção de quarks estranhos / anti-estranhos, ele é fino o suficiente e frio o suficiente para passar do plasma de quarks-glúons para barões individuais (combinações de três quarks), antibióticos (combinações de três antiquarques) e mésons (combinações de quarks e antiquarks). E aqui o confinamento ocorre primeiro.



Depois disso, ocorrem a seguinte aniquilação e deterioração:
  • / , / ;
  • / , ( , );
  • / /, , /;
  • , /;
  • /, /.


Neste momento, apenas um pequeno número de prótons e nêutrons, um grande número de pares de elétrons e pósitrons, neutrinos / antineutrinos e fótons permanecem no Universo. Sim, e matéria escura, não importa em que consiste (e sempre esteve presente), que, de acordo com nossas suposições, não interage com outras partículas.

Você pode decidir que a aniquilação de elétrons / pósitrons ocorre a seguir, mas dois outros eventos ocorrem primeiro.



Primeiro, prótons e nêutrons jogam um jogo: prótons tentam combinar-se com elétrons para formar nêutrons e neutrinos, e nêutrons e neutrinos tentam seguir o outro caminho, produzindo prótons e elétrons. Além disso, prótons e antineutrinos podem combinar e criar nêutrons e pósitrons, e uma reação reversa também é possível. Por alguns milissegundos, que para a nossa história é um intervalo de tempo decente, essas reações ocorrem com a mesma frequência. Mas com uma diminuição na energia e na temperatura, uma pequena diferença de massa entre o próton e o nêutron começa a afetar, e as reações com a criação de prótons a partir de nêutrons tornam-se um pouco mais fáceis do que as reações com a criação de nêutrons a partir de prótons. No momento em que a idade do Universo se aproxima, a proporção de prótons e nêutrons varia de 50/50 a 85/15 a favor dos prótons.



Interações fracas - interações que permitem que os neutrinos troquem energia com outros tipos de partículas e que permitem a transição de fótons e nêutrons - são congeladas. Isso significa que a frequência de interações, energia e seção efetiva se tornam muito pequenas para que neutrinos e antineutrinos participem de reações que ocorrem no espaço. Até esse ponto, elétrons / pósitrons, neutrinos / antineutrinos e fótons receberam uma fração proporcional da energia da aniquilação. Mas quando os neutrinos e antineutrinos congelam, eles param de participar deste jogo.



E assim, quando a fase final da aniquilação ocorre, quando o Universo esfria para que os pares elétron / pósitron não sejam mais criados e simplesmente aniquilam, deixando elétrons suficientes para compensar a carga elétrica dos prótons), eles fundem toda a energia em fótons, e não em neutrinos. e antineutrino.

Portanto, a temperatura da radiação cósmica de fundo de microondas - o fundo dos fótons deixados após o Big Bang - é medido em 2,725 K, e a temperatura de fundo dos neutrinos restantes deve estar na região de 1,95 K ou, mais precisamente, (4/11) 1/3 da temperatura dos fótons.



E também por causa disso - após três minutos com uma ninharia - parte dos neutrinos restantes decaiu, elevando a proporção de prótons para nêutrons para ~ 87,6 / 12,4. Nesta etapa, os fótons finalmente esfriaram o suficiente para que a formação dos primeiros elementos mais pesados ​​que o hidrogênio pudesse começar - a nucleossíntese do Big Bang. É por isso que obtivemos exatamente uma proporção de hidrogênio e hélio após o Big Bang: por causa dos papéis desempenhados por todas essas partículas nos estágios iniciais do Universo.



Algum dia, espero informá-lo sobre a descoberta do fundo cósmico dos neutrinos. Sua descoberta foi anunciada no mês passado em uma reunião da AAS, mas o trabalho sobre esse assunto ainda não apareceu. Acho que trouxe o máximo de informações possível para não transformá-lo em físicos teóricos, e espero que o artigo tenha sido bem equilibrado para atender às suas necessidades. Até agora, essa é a melhor das histórias sobre o aparecimento de partículas no Universo e seu comportamento nos estágios iniciais do quente Big Bang, e depois durante o resfriamento, aniquilação e decadência.

Obrigado pela maravilhosa pergunta e espero que a explicação tenha sido esclarecida para você e para o resto. Envie-me suas perguntas e sugestões para os seguintes artigos.

Source: https://habr.com/ru/post/pt396165/

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