Antimadde ortadan kaybolduğunda evren nasıl olur?
Evrenin ilk aşamasında, 13.8 milyar yıl önce, işler çok hızlı gerçekleşti. Big Bang'den sonraki ilk 25 mikrosaniyede pek çok inanılmaz olay meydana geldi. Evren, bilinen ve bilinmeyen tüm parçacıkları ve karşıt parçacıkları yarattı ve en yüksek sıcaklığa ulaştı. Henüz fizikçiler tarafından belirlenmemiş bir süreçle, evren antimaddeden daha fazla madde üretti: milyarda sadece bir parça daha fazla. Bu dengesizlik nedeniyle, elektrozayıf simetri kırılarak Higgs bozonunun evrene kütle sağlamasına olanak tanır. Bu ağır, kararsız parçacıklar bozulur ve kuarklar ve gluonlar proton ve nötron oluşturmak için birleşir.
Ancak bugün bildiğimiz evrene evrimleşmeden önce, evrende bir dizi başka olay meydana gelmiş olmalı. İlk olarak, protonlar ve nötronlar üretildikten sonra, son antimadde (o sırada hala çok miktarda bulunan) ortadan kaldırılacaktır.
Yeterli enerji olduğu sürece, evrende antimadde yaratılabilir. Einstein'ın ünlü kütle-enerji denklemine göre: E = mc ^ 2, kütle ve enerji eşdeğerdir ve aşağıdaki iki nokta olarak özetlenebilir:
(1) Enerji saf maddeden (veya antimaddeden) yaratılabilir ve kütle (m), örneğin eşit miktarda madde ve antimaddeyi yok ederek maddenin kütlesini azaltarak enerjiye (E) dönüştürülebilir.
(2) Tersine, eşit sayıda parçacık ve antiparçacık çifti oluşturabildiği sürece, yeni madde de saf enerjiden yaratılabilir.
Yaradılışın sorunsuz bir şekilde ilerlemesine izin verecek kadar enerji olduğu sürece, bu yok etme-yaratma süreçleri erken evrende dengelenebilir.
İlk aşamalarda, en ağır parçacık-karşıt parçacık çifti, yok olan ve yok olan ilk parçacıktır. En ağır parçacıkları ve karşıt parçacıkları yaratmak için en fazla enerjiyi alır, bu nedenle evren soğuduğunda, etkileşen enerji kuantumunun kendiliğinden yeni parçacık / karşı parçacık çiftleri yaratması giderek imkansız hale gelecektir.
Zamanla, Higgs parçacıkları evrene kütle getirir ve çok düşük enerjili nesneler üst kuarkları veya W ve Z bozonlarını oluşturamaz. Kısacası, evren artık alt kuarklar, tau leptonlar, cazibeli kuarklar, garip kuarklar ve hatta müonlar yaratamaz. Yaklaşık aynı zamanda, kuarklar ve gluonlar birleşerek nötronlar ve protonlar oluştururlar ve antikuarklar birleşerek antinötronlar ve antiprotonlar oluştururlar.
Bu noktada, evrendeki mevcut enerji, yeni protonlar / antiprotonlar veya nötronlar / antinötronlar üretmek için çok düşük hale geldi. Bu nedenle, tüm antimadde temas ettiği madde ile yok edilecektir. Ancak her 1,4 milyar proton / antiproton çifti için yaklaşık 1 proton (veya nötron) olduğu için, geriye yalnızca birkaç proton ve nötron kaldı.
Ancak pozitif ve negatif maddenin tüm yok oluşları, ilkel enerjinin en saf hali olan fotonları üretir. Foton-foton etkileşimi, enerji dolu bu erken aşamada hala çok güçlüdür ve kendiliğinden nötrino-antinötrino çiftleri ve elektron-pozitron çiftleri üretebilirler. Evren protonlar ve nötronlar ürettikten sonra bile, tüm antiprotonlar ve antinötronlar ortadan kayboldu, ancak evren hala antimadde ile dolu.
Bu nispeten geç aşamada bile, hala ne kadar sıcak ve yoğun olduğu unutulmamalıdır. Bu noktada, Büyük Patlama'dan bu yana evrende sadece saniyenin bir kısmı geçmiştir ve o sırada evren, yoğunluğu güneşin şu anki merkezinden daha yüksek olan parçacıklarla doluydu. En önemli şey, sürekli olarak gerçekleşen ve bir tür parçacığı diğerine dönüştürebilen birçok etkileşim olmasıdır.
Bugün, kendiliğinden zayıf etkileşimler üreten tek bir durum var: radyoaktif bozulma. Serbest nötronlar veya ağır atom çekirdeği gibi daha yüksek kütleli parçacıklar, aynı anda daha düşük kütleli parçacıklar ve bir miktar enerji açığa çıkaracaktır.Bu süreç, Einstein'ın kütle-enerji denkleminin hesaplama sonuçlarıyla tutarlıdır.
Ancak sıcak, yoğun erken evrende, zayıf etkileşimlerin oynadığı ikinci rol, protonları ve nötronları birbirine dönüştürmekti. Evren yeterli enerjiyle dolu olduğu sürece, bu bazı kendiliğinden tepkiler üretecektir:
Yukarıdaki denklemde, p bir protondur, n bir nötrondur, e- bir elektrondur, e + bir pozitrondur (antielektrondur), e bir elektron nötrinodur ve e'nin üzerindeki yatay bir harf bir antielektron nötrino'yu belirtir.
Sıcaklık ve yoğunluk yeterince yüksek olduğu sürece, tüm bu reaksiyonlar kendiliğinden ve aynı hızdadır. Zayıf etkileşimler hala önemlidir; sık sık reaksiyona girmeye yetecek kadar madde ve antimadde vardır; daha düşük kütleli protonlardan daha yüksek kaliteli nötronlar oluşturmak için yeterli enerji vardır.
Büyük Patlama'dan sonraki ilk tam saniyede, her şey dengede idi ve evrendeki protonlar ve nötronlar rastgele birbirlerine dönüştüler.
Ancak bu evrende, bu karşılıklı dönüşüm süreçleri dahil çok az şey sonsuza dek sürecek. Bu fenomeni değiştiren ilk önemli olay, evrenin soğumasıdır. Uzay genişledikçe, evrenin sıcaklığı birkaç trilyon dereceden birkaç milyar dereceye düşer Çoğu nötron, pozitronlar veya elektron nötrinolarla çarpıştıktan sonra, protonlar hala üretilebilir; ancak çoğu proton, elektronlar veya antielektronlarla etkileşime girer. Trinolar çarpıştıktan sonra, nötron üretmek için artık yeterli enerji kalmaz.
Biliyorsunuz, proton ve nötron kütlesi hemen hemen aynı olmasına rağmen, nötron kütlesi biraz daha yüksek, protonlardan% 0.14 daha ağır. Bu, evrenin ortalama enerjisi (E), protonlar ve nötronlar arasındaki kütle farkından (m) daha düşük olduğunda, nötronları protonlara dönüştürmek protonları nötronlara dönüştürmek daha kolay olduğu anlamına gelir.
Big Bang'den bir saniye sonra protonlar nötronlara hükmetmeye başladı. Ancak o anda, evrenin gidişatını sonsuza dek değiştiren iki olay birbiri ardına gerçekleşti. Birincisi, zayıf etkileşimin etkisini kaybederek proton-nötron dönüşümünü durdurmasıdır.
Bu karşılıklı dönüşümlerin meydana gelmesi, nötrinoların, evren yeterince sıcak ve yeterince yoğun olduğu sürece, belirli bir frekansta protonlar ve nötronlarla etkileşime girmesini gerektirir. Evren yeterince soğuk ve seyrek hale geldiğinde, nötrinolar (ve antinötrinolar) artık etkileşime girmez, bu da bu nötrinoların ve antinötrinoların artık evrendeki diğer şeylerle etkileşime girmeyeceği anlamına gelir. Şu anda hala var olması gerekir ve sıcaklığı, teorinin öngördüğü kozmik nötrino arka plan radyasyonu olan yaklaşık 1,95 derece Kelvin (eksi 271,20 santigrat derece).
Öte yandan, evren şu anda hala enerji dolu.İki fotonun çarpışması elektron-pozitron çiftleri üretebilir ve elektron-pozitron çifti de iki fotona dönüşecek. Bu durum evrenin doğumundan üç saniye sonrasına kadar devam eder, yani tüm madde-antimadde enerjisi elektron ve pozitronlara bağlıdır ve yok edildiklerinde tamamen fotonlara dönüşeceklerdir.
Bu, kalan foton arkaplanının (yani mevcut kozmik mikrodalga arkaplanının) sıcaklığının nötrino arkaplanının sıcaklığından% 40 tam olarak (11/4) daha yüksek olması gerektiği anlamına gelir, bu nedenle kozmik mikrodalga arkaplanının sıcaklığı 2,73 Kelvin'dir ve 1.95 derece Kelvin değil. Bu, Big Bang teorisinin öngörüsü ile mükemmel bir uyum içinde olan mevcut gözlem sonucudur.
1992'de NASA'nın COBE uydusu ilk kez veri yayınladı ve insanlar ilk kez kozmik mikrodalga arka planın sıcaklığını ölçtüler. Ancak nötrino arka planı izleri çok ince bir şekilde bırakıyor ve 2015 yılına kadar keşfedilmedi. Nihayet keşfedildiğinde, bilim adamları kozmik mikrodalga fon radyasyonunun dalgalanmalarında bir faz kayması fark ettiler, bu da bilim adamlarının kozmik nötrino arka plan sıcaklığının 1.96 ± 0.02 derece Kelvin olduğunu belirlemelerine olanak tanıdı ve bu da Big Bang'e benzerdi. Teorik tahminler tamamen aynı.
Zayıf etkileşimin önemli bir rol oynaması için gereken zaman çok kısa olduğundan, antimadde hala var ve evrendeki proton ve nötron oranı artık 50/50 değil, nötronlardan daha fazla protonla 72 / 28'e evrildi. Nötrinolar ve antinötrinolar evrendeki diğer tüm parçacıklardan tamamen ayrıldığından, uzayda serbestçe hareket edecekler, kütleleri sıfıra ve hızları ışık hızına eğilimlidir. Aynı zamanda, anti-elektronlar kayboldu, bu nedenle elektronların çoğu da kayboldu.
Toz çöktüğünde, evreni elektriksel olarak nötr tutmak için protonlar kadar çok elektron olacaktır. Evrendeki her proton veya nötron 1 milyardan fazla fotona karşılık gelir ve nötrino-antinötrinoların yaklaşık% 70'i fotonlara karşılık gelir. Evren hala sıcak ve yoğundur, ancak ilk 3 saniyede önemli ölçüde soğumuştur. Bu antimadde olmadan, yıldızların ham maddeleri yavaş yavaş oluşuyor ve evren yavaş yavaş bugünkü haline dönüşüyor.
