| |
|
11. Era hadronowa
| |
Cofając się jeszcze bardziej wstecz ku wcześniejszym chwilom i wyższym temperaturom, dochodzimy do epoki, gdy nawet cząstki ciężkie — hadrony — stają się cząstkami relatywistycznymi. Era ta zaczyna się ok. 10-9 s. od Wielkiego Wybuchu przy temperaturze rzędu 1015 K (ok. 250 GeV). Przy tej temperaturze energia fotonów jest wystarczająca by tworzyły się pary hadron-antyhadron. Kreacja i anihilacja par jest w równowadze. Gęstość energii gazu opisuje poznane już równanie:
gdzie, jak poprzednio, czynnik wagowy g jest:
zaś ewolucję temperatury T(t):
Dla obliczenia wagi gb uwzględnia się bozony: fotony γ, bozony W+, W–, Z0 przenoszące oddziaływania słabe oraz wszystkie ciężkie mezony. Obliczenie wagi gf dla fermionów wymaga zsumowania wag dla wszystkich typów barionów oraz leptonów. Jak wiadomo, zdecydowana większość występujących tu hadronów jest nietrwała i po czasach rzędu 10-24 s rozpada się lub też anihiluje ze swoimi antycząstkami. Jednak wysokoenergetyczne fotony tworzą nowe pary cząstka-antycząstka. W miarę ekspansji i stygnięcia Wszechświata przestają być produkowane najcięższe i nietrwałe hadrony (energia fotonów staje się zbyt niska na ich produkcję). Pozostają jedynie najlżejsze i trwałe hadrony — protony i neutrony — a także wszystkie typy leptonów. Przy T < 1015 K kończy się też unifikacja oddziaływań słabych i elektromagnetycznych, a przy T < 80 GeV przestają być też produkowane bozony W i Z.
Przy temperaturach T < 1012 K także protony i neutrony przestają być cząstkami relatywistycznymi. Jednocześnie zaczyna się przewaga procesów anihilacji tych cząstek nad kreacją par. Era hadronowa zbliża się do końca po ok. 10-4 s, przechodząc w erę leptonową. Prawie wszystkie protony i neutrony anihilują (dodając fotony do tła promieniowania). Prawie wszystkie — albowiem istnieje od początku pewna przewaga ilościowa materii nad antymaterią. Ewentualne pochodzenie tej nadwyżki omówimy w następnym rozdziale.
Czas trwania ery hadronowej — 10-4 s — wydaje się być znikomo krótki. Jednak czas życia większości hadronów i skala czasowa oddziaływań silnych to ok. 10-24 s, a więc 20 rzędów wielkości mniej. Dla nich era ta trwa bardzo długo. Gdyby czas życia nietrwałych hadronów przyrównać do czasu życia człowieka, to odpowiednio era hadronowa byłaby o wiele rzędów wielkości dłuższa, niż dla nas wiek Wszechświata.
MIĘDZY INFLACJĄ A HADRONIZACJĄ
— pochodzenie asymetrii ilościowej materii nad antymaterią
Z podstawowej fizyki wiemy, że cząstki i antycząstki pojawiają się i anihilują zawsze parami. Obowiązuje prawo zachowania liczby barionowej i leptonowej. Jednocześnie obserwacje wskazują na to, że we wszechświecie raczej nie ma równej ilości materii i antymaterii. Drugim ważnym faktem obserwacyjnym jest dramatyczna przewaga ilości fotonów (tła reliktowego) nad ilością barionów — wspominana w rozdziale o erze promieniowania wielkość η = nb/nγ ≤ 10-9. Źródło zaistniałej asymetrii tkwi najprawdopodob-niej w epoce jeszcze wcześniejszej niż hadronowa. Przypuszczalnie tuż po tzw. fazie inflacyjnej, o której będzie mowa dalej, przy temperaturach powyżej 1028 K nie istniały jeszcze hadrony. Wszechświat wypełniała mieszanina kwarków, leptonów oraz cząstek przenoszących oddziaływania — fotonów, bozonów W i Z oraz gluonów. Termiczną ewolucję opisuje tu także poznane równanie (3). Czynnik wagowy g wymaga sumowania po trzech typach kwarków (każdy w trzech „kolorach”) oraz leptonów a także po wszystkich bozonowych nośnikach oddziaływań.
W tej fazie miała miejsce pełna unifikacja oddziaływań elektro-magnetycznych, słabych i supersilnych — kolorowych. Istnieją rożne warianty teorii Wielkiej Unifikacji (tzw. GUT). Jej najprostsza wersja oparta na grupie symetrii SU(5), przewiduje istnienie 24 nośników oddziaływań. Dwanaście z nich to:
- 1 foton
- (bezmasowy) nośnik oddziaływań elektromagnetycznych,
- 3 bozony
- W+, W-, Z0 — nośniki oddziaływań słabych (o masach ∼80 GeV)
- 8 gluonów
- bezmasowych nośników oddziaływań supersilnych („kolorowych”) zachodzących pomiędzy kwarkami.
Nowe 12 bozonów wymaganych przez GUT — tzw. bozony X (i antybozony  ) obdarzone byłyby ułamkowymi ładunkami elektrycznymi (±1/3 i ±4/3), ładunkiem kolorowym R, G lub B oraz tzw. ładunkiem słabego oddziaływania. Bozony te w reakcjach oddziaływań z kwarkami (q) i leptonami (l) mogą powodować przemiany kwarku w antykwark (i odwrotnie) oraz kwarku w lepton (i odwrotnie) lub też rozpadać się spontanicznie według poniższych schematów:
Przy temperaturach T > 1028 K pary X + anty-X powstają i anihilują zupełnie symetrycznie. Gdy jednak temperatura spada poniżej 1027 K, kreacja i anihilacja par staje się coraz mniej prawdopodobna, wzrasta zaś szansa spontanicznego rozpadu według jednego z powyższych schematów. Każdy z kanałów rozpadu ma także swoje prawdopodobieństwo. Oznaczmy je odpowiednio p1 oraz p2.
Jeśli p1 = p2, to po rozpadach pozostaną równe ilości kwarków i antykwarków oraz leptonów i antyleptonów i z czasem wszystko może całkowicie zanihilować. Jeśli jednak choć minimalnie p1 ≠ p2, to pozostanie pewna nadwyżka materii nad antymaterią. Nie ma w zasadzie powodu, dla którego obydwa prawdopodobieństwa rozpadu musiałyby być idealnie równe. Wręcz przeciwnie, znane są przykłady rozpadów (z tzw. łamaniem symetrii CP), w których rozpad hadronu i antyhadronu mają nieco różne prawdopodobieństwa. Jednym z nich jest rozpad mezonu K0:
| K0 |
 |
e+ + π- + ν |
; |
K0 |
 |
inne produkty |
| (6) |
 0 |
 |
e- + π+ +  |
; |
0 |
 |
inne produkty |
| |
W tym przykładzie, jak wynika z pomiarów, p1 i p2 różnią się o 0.007. A więc i dla bozonów X podobny efekt nie jest wykluczony. Wystarczy tu różnica prawdopodobieństw o 10-9, aby wyjaśnić obserwowany obecnie stosunek ilości barionów do fotonów we Wszechświecie.
Przy dalszym spadku temperatury do ok. 1015 K kwarki zostają uwięzione w hadronach, zaś oddziaływania kolorowe wyłamują się z unifikacji. Zacznie się era opisywana już era hadronowa.
prof. Jerzy Sikorski
| |
|
|
|
