Pozitif madde antimaddeden daha uzunken evren nasıl görünüyordu?
Elektronlar ve anti-elektronlar aynı kütleye sahiptir, ancak zıt yüklere sahiptir.Protonlar ve anti-protonlar da aynıdır.Parçacıklar ve anti-parçacıklar zıt yüklere sahiptir ve zıt olabilecek diğer tüm özellikler de zıttır. 13.817 milyar yıl önce, Big Bang anında, evren tarihin en sıcak anıydı. Bilinen her parçacık çok sayıda vardır ve bunların karşıt parçacıklarının sayısı eşittir ve hepsi etraflarındaki her şeye hızla ve tekrar tekrar çarpar. Bir parçacık-karşı-parçacık çifti karşılaştığı zaman, saf enerjiye dönüşür.
Çok genç evrende ulaşılan yüksek sıcaklıklarda, yeterli enerji verildiğinde sadece parçacıklar ve fotonlar kendiliğinden üretilemez, aynı zamanda ilkel parçacıklar ve parçacık karşıtı çorba / karışımlar oluşturmak için anti parçacıklar ve kararsız parçacıklar da üretilebilir. Resim: BROOKHAVEN ULUSAL LABORATUVARI
Boko Park-Bilim Popülerleştirme: Ek olarak, bu enerjiler altında var olabilecek her şey (yeni alanlar, yeni parçacıklar ve hatta karanlık madde) bu koşullar altında kendiliğinden kendini yaratacaktır. Ancak evren bu kadar yüksek sıcaklık ve simetrik koşulları sürdüremez. Yakında, evren sadece genişlemekle kalmayacak (ilk günlerdeki enflasyon), aynı zamanda serinleyecektir. Bir saniyeden daha kısa bir sürede, bu kararsız parçacıklar ve anti-parçacıklar ortadan kayboldu, bu da evrenin antimadde yerine maddeyi tercih etmesine neden oldu (yani, normal madde sonunda antimaddeyi yenerek bugün evrendeki her şeyi yarattı), Aşağıdakiler nasıl olduğu ile ilgili: Yorum yapmadan önce okumakta ısrar edebilir misiniz?
İlk evren madde ve radyasyonla doluydu ve o kadar sıcak ve yoğundu ki, protonlar ve nötronlar gibi tüm bileşik parçacıkların ilk anda kararlı bir şekilde oluşmasını engelledi. Ancak, bu gerçekleştiğinde, antimadde yok edilecek ve evren, ışık hızına yakın bir hızda hareket edecek bir madde ve radyasyon parçacıkları denizine sahip olacak. Resim: RHIC İŞBİRLİĞİ, BROOKHAVEN
Büyük Patlama anında, evren maksimum toplam enerjiye ulaşmak için yaratılabilecek her şeyle doluydu.Sadece iki engel vardı:
1. Einstein'ın kütle-enerji denklemi E = MC ^ 2 ile verildiği gibi, çarpışmada parçacıklar veya antiparçacıklar üretmek için yeterli enerji olmalıdır.
2. Her etkileşimde korunması gereken tüm kuantum sayıları korunmalıdır
Evrenin ilk dönemlerinde, enerji ve sıcaklık o kadar yüksekti ki, sadece Standart Modelin tüm parçacıklarını ve antiparçacıklarını değil, aynı zamanda diğer enerjinin izin verdiği her şeyi de yaratmak mümkündü. Bu, çok sayıda sağ elini kullanan nötrinoları, kuark ve lepton kombinasyonlarını, süper simetrik parçacıkları ve hatta Büyük Birleşik Teoride var olan yüksek enerjili bozonları içerebilir.
Bozonlar ve anti-bozonlar arasındaki asimetri, evrende gözlemlendiği gibi madde ve antimadde arasında temel bir asimetriye yol açabilen büyük birleşik teorilerin (SU (5) gibi) ortak bir özelliğidir. . Ancak bu, yeni bir tür fiziğin varlığını gerektirir: ya yeni bir alan biçiminde ya da yeni bir parçacık biçiminde.
Bu parçacıkların evrenimizde var olup olmadığı kesin değil, teorik olarak mümkün, ancak fiziksel olarak var olmaları gerektiği anlamına gelmiyor. Bunu kanıtlamak için, onları yaratmak için gerekli enerjinin gerçekten gerçekleştirilmesi gerekir. Bu zor bir iştir, çünkü evrenin ilk aşamalarında elde edilen enerji, CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı parçacık çarpışmasında elde edilen maksimum enerjinin yaklaşık 1 trilyon (10 ^ 12) katıdır. İnsanlık tarihinde yaratılan en güçlü enerji, erken evrenle karşılaştırıldığında sönük kalır.
Onunla evrende etkileşen malzeme çok büyük bir kozmik ölçekten yaklaşık 10 ^ -19 metreye kadar değişiyor Termal büyük patlamanın ulaştığı ölçek Planck'ın enerjisinden yaklaşık 1000 kat daha düşük. Resim: Fizik Okulu, New South Wales Üniversitesi
Evren genişledikçe, yalnızca yoğunluğu azalmakla kalmadı, yavaş yavaş da soğudu. Herhangi bir kuantum radyasyonunun enerjisini belirleyen faktörlerden biri dalga boyudur: kısa dalga boyları daha yüksek enerji anlamına gelir ve uzun dalga boyları daha düşük enerji anlamına gelir. Evren en sıcak ve en yoğun olduğunda, dalga boyu en kısadır. Ancak uzay yapısı genişledikçe, içindeki radyasyonun dalga boyu uzayacaktır.
Evrenin yapısı genişledikçe, herhangi bir radyasyonun dalga boyu da uzar, bu da evrenin enerjisinde bir azalmaya (toplam enerjide bir azalmaya değil) yol açar ve daha sonraki soğuk zamanlarda ilk günlerde kendiliğinden meydana gelen birçok yüksek enerjili süreci imkansız kılar. Resim: E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE
Bu, çok kısa sürede genişleyen evrenin çarpıcı biçimde soğuyacağı anlamına gelir. Enerji azaldıkça, belirli bir kütlenin bir parçacığını yaratmak gittikçe zorlaşır. E = mc ^ 2 iki yönlüdür: parçacık-karşı-parçacık çiftleri radyasyonla yok edilebilir, ancak çarpışmalar da kendiliğinden parçacık-karşı-parçacık çiftleri üretecektir. Standart Modelde yeni parçacıklar (ve / veya antiparçacıklar) varsa, bunlar ultra yüksek enerjide üretilir, ancak evren belirli bir eşik sıcaklığının altında olduğunda üretmeyi durdurur.
Saf enerjiden bir madde / antimadde çifti (solda) üretmek tamamen tersine çevrilebilir bir reaksiyondur (sağda) Madde / antimadde saf enerjiye geri döner. E = mc ^ 2'yi izleyen bu yaratma ve yok etme süreci, madde veya antimaddeyi yaratmanın ve yok etmenin bilinen tek yöntemidir.Düşük enerjide, parçacık antiparçacık oluşumu bastırılır. Resim: DMITRI POGOSYAN / Alberta Üniversitesi
Bundan sonra kalan parçacıklara ve / veya antiparçacıklara ne olacak? Üç olasılık vardır:
1. Tıpkı parçacık-antiparçacık çiftleri gibi, yoğunluk artık birbirleriyle çarpışamayacak kadar düşük olana kadar yok edecekler.
2. Tüm kararsız parçacıklar gibi, fizik yasalarının izin verebileceği herhangi bir bozunma ürününe dönüşürler.
3. Kararlıdırlar ve evreni etkiledikleri ve tespit edilebildikleri bu güne kadar korunmuşlardır.
Kozmik ağ karanlık madde tarafından yönlendirilir. Karanlık madde, erken evrende oluşan parçacıklardan gelebilir. Bu parçacıklar bozulmayacak, ancak bugüne kadar sabit kaldılar. Resim: RALF KAEHLER, OLIVER HAHN AND TOM ABEL (KIPAC)
İlki akla gelebilecek her şeyin başına gelebilir, ancak her zaman bazı kalıntı parçacıklar bırakır. Kalan madde kararlı ise, o zaman mükemmel bir karanlık madde adayıdır. Sağ elini kullanan nötrinolar ve en hafif süpersimetrik parçacıklar bu durumda mükemmel karanlık madde adaylarıdır:
1. Parçacıklar nispeten büyüktür
2. Çok sayıda oluşturuldu
3. Sonra bazıları kayboldu
4. Gerisini bugün için saklayın
5. Artık bugün evrendeki hiçbir parçacıkla büyük ölçüde etkileşime girmiyorlar
Bu, karanlık madde için mükemmel bir "reçetedir", ancak geri kalan madde, büyük birleşik durumda görünen varsayımsal süper ağır bozon parçacıkları gibi kararsızsa, antimaddeden daha fazla maddeye sahip bir evren yaratacaktır.
Evren genişledikçe ve soğudukça, kararsız parçacıklar ve antiparçacıklar bozunacak ve madde-antimadde çifti yok olacak ve fotonlar artık yeni parçacıklar üretmek için yeterince yüksek enerjiyle çarpışamayacak. Ancak her zaman karşılık gelen karşı parçacığı bulamayan kalan parçacıklar olacaktır. Ya kararlıdırlar ya da bozulurlar, ancak hepsinin evren üzerinde bir etkisi vardır. Resim: E. SIEGEL
Bir örnek verelim: Standart Modelde iki tür fermiyon vardır: çekirdeği oluşturan kuarklar ve leptonlar, elektronlar veya nötrinolar. Kuark, baryon numarası adı verilen bir kuantum numarası içerir. Bir baryon (proton veya nötron gibi) üç kuark gerektirir, bu nedenle her kuarktaki baryon sayısı +1 / 3'tür. Her lepton kendi "varlığı" dır, bu nedenle her elektron veya nötrinonun lepton sayısı +1 olur.
Antikuarklar ve antileptonlar, lepton ve baryon sayısı için karşılık gelen negatif değerlere sahiptir. Büyük birlik doğruysa, X ve Y olarak adlandırdığımız yeni süper ağır parçacıklar ve bunların karşıt madde karşılıkları: anti-X ve anti-Y olmalıdır. Bununla birlikte, bu yeni X, Y, anti-X ve anti-Y parçacıkları, baryon veya lepton sayısı yerine yalnızca birleşik bir B-L sayısına veya baryon sayısı eksi ışık sayısına sahiptir.
Evrendeki diğer parçacıklara ek olarak, Büyük Birleşme Teorisi kavramı evrenimize uygulanırsa, o zaman daha fazla süper ağır bozonlar, X ve Y parçacıkları ve bunların karşıt parçacıkları, diğer parçacıklar erken evrende olacaktır. Atami, uygun hücumlarını gösterir. Resim: E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE
Yüksek enerji altında, çok sayıda yeni parçacık ve antiparçacık yaratılır. Bununla birlikte, evren genişleyip soğuduktan sonra, yeni enerji üretmeden ya yok olurlar ya da bozulurlar. Fizikte, bu parçacıkların nasıl bozunduğunu belirleyen güçlü bir teorem vardır. Bozunma gösteren herhangi bir X veya Y parçacığı için, anti-X veya anti-Y parçacıklarının karşılık gelen bir anti-parçacık bozunma yoluna sahip olması gerekir ve bu simetri mevcut olmalıdır. Ancak simetrik olması gerekmeyen şey bozunma dal oranıdır, yani bir parçacığın veya bir karşı parçacığın bozunma yoludur. Bu oranların Standart Modelde farklı olduğunu gördük ve eğer bu varsayımsal yeni parçacıklarda farklılarsa, doğal olarak maddeyi antimaddeye tercih eden bir evren elde edebilirsiniz.
X ve Y parçacıkları şekilde gösterilen kuarklar ve leptonların birleşimine bozunursa, karşıt parçacıklar kendi karşıt parçacık kombinasyonlarına bozunacaktır. Ancak CP simetrisi ihlal edilirse, X ve Y partiküllerinin bozunma yolu (veya farklı şekillerde bozunan partiküllerin yüzdesi) anti-X ve anti-Y partiküllerinden farklı olabilir, bu da baryonların anti-baryonlarda net ürünler üretmesine ve leptonların anti- Leptonlarda net bir ürün üretilir. Resim: E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE
X parçacıklarının iki yola sahip olduğunu varsayalım: iki yukarı kuarka veya bir aşağı kuarka ve bir pozitrona bozunma. Anti-X, karşılık gelen bir yola sahip olmalıdır: iki anti-yukarı kuark veya bir aşağı kuark ve bir elektron. Her iki durumda da, X'in B-L (+2/3) ve X'in -2/3'ü vardır. Durum, Y / anti-Y parçacıkları için benzerdir. Fakat antimaddeden daha fazla maddeye sahip bir evren nasıl yaratılır: X'in iki yukarı kuarka bozunması daha olasıdır, anti X'in iki yukarı kuarka bozunması daha olasıdır ve anti X'in bir aşağı kuarka ve bir elektrona bozunması daha olasıdır ve Bu, X'in bir aşağı kuark ve pozitrona bozunması değildir. Yeterli X / anti-X ve Y / anti-Y çifti varsa, bu şekilde bozunacaklar ve antibaryonda (ve antilepton / leptonda) fazladan bir baryon elde edeceksiniz.
Parçacık yukarıda açıklanan mekanizmaya göre bozulursa, antikuarkta (ve antilepton / leptonda) fazladan kuarklar bırakacaktır. Fazla parçacık-antiparçacık çifti yok edildiğinde (noktalı çizgiyle eşleştiğinde), protonlardan ve nötronlardan, yukarı ve aşağı kuarklardan oluşan ve elektronlar proton sayısına uyan kalan kuarklar olacaktır. Resim: E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE
Bu, bugün içinde yaşadığımız materyal açısından zengin evrene yol açabilecek bilinen üç olası çözümden yalnızca biridir.Diğer iki durum yeni nötrino fiziği veya elektrozayıf ölçeğinde yeni fizik içerir. Bununla birlikte, her durumda, bu, erken evrenin dengesiz doğasıdır.Yüksek enerji altında izin verilen her şeyi yarattı ve sonra kararsız bir duruma soğutuldu, bu da onun antimaddeden daha fazla madde üretmesini sağladı.
Tamamen simetrik bir evrenden başlayabilirsiniz ve çok sıcak bir durumda, soğuma ve genişleme yoluyla nihayet madde tarafından kontrol edilen bir evrene sahip olabilirsiniz. Evrenin doğuştan gelen antimaddeye (veya pozitif maddeden daha fazla antimaddeye sahip bir evrene) ihtiyacı yoktur Büyük Patlama kendiliğinden yoktan doğabilir. Antimadde için en erken "üretim" arayışı: 1995 yılında, CERN'deki bilim adamları laboratuvarda dünyanın ilk antimadde-antihidrojen atomlarını ürettiler. 1996 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı başarıyla 7 anti-hidrojen atomu üretti.
Brocade Park-Science Popularization Metin: Ethan Siegel / Forbes Science / S.W.A.B
Brocade Park - Evren Biliminin Güzelliğini Sunuyor
