Эпоха кварк-фотонного газа

После распада Х-частиц плотность кварков была на ~10^-8 % выше, чем плотность антикварков. С этих пор метагалактика вела себя как нормальный адиабатически расширяющийся газ (разработка этой термодинамической модели принадлежит Альферу, Бете и Гамову (1948 г)).

Адиабатическое расширение создает определенные временные рамки для эволюции метагалактики. Временная симметрия нарушается, и эволюция становится необратимым процессом. Нарушение симметрии обратимость Þ необратимость сделало второй закон термодинамики физическим фундаментом эволюции. К концу эпохи температура упала до уровня Т ~10¹⁶ К ~ 1000 ГэВ.

Нарушилась электрослабая симметрия: это привело к разделению слабых и электромагнитных сил.

Эпоха аннигиляции кварков .

К началу эпохи в первичном газе еще преобладали кварки и антикварки. Существуют шесть типов кварков, среди которых различают up – кварки и down – кварки. При уменьшении температуры до Т ~ 10¹³ К ~ 1 ГэВ возросла вероятность попарной аннигиляции кварков и антикварков с образованием q + Û 2g - g - квантов и q + Û e + - электронов и позитронов. При реакции аннигиляции высвобождается энергия связи ~ 10¹² эВ.

В результате реакции аннигиляции «выжили» одна миллионная часть всех кварков, а антикварки исчезли, и симметрия между материей и антиматерией оказалась нарушена в сторону преобладания материи (в современном мире античастицы встречаются крайне редко).

Перечисленные эпохи эволюции Вселенной носят чисто теоретический характер на уровне гипотез.

Следующие этапам развития космоса имеют ссылки на экспериментальные исследования с энергией ниже 1 ГэВ.

Эпоха образования нуклонов .

Каждая тройка кварков, соединяясь, дает нуклон; образует особое связанное состояние («удержание кварков»).

Например, up-кварк и два down- кварка образуют нейтрон u + 2d Û n, а два up-кварка и один down- кварк – протон 2u + d Û p.

Поскольку энтальпия реакции (свободная энергия) для этих процессов составляет ~ 100 МэВ, происходит смещение равновесия вправо. Свободные кварки исчезают из метагалактики и к концу периода она уже состоит из нуклонов. Эта эпоха привела к нарушению симметрии, появились барионы и антибарионы, барионы достигли абсолютного господства в метагалактике.

Эпоха отделения нейтрино .

Физико-химический состав метагалактики в эту эпоху не претерпевал существенных изменений, однако температура снизилась до T ~ 10¹⁰ К ~ 1 МэВ.

Понижение плотности и температуры с этой эпохи можно изучать термодинамическим методом. Оценки для момента времени t = 1 с дают следующие средние плотности частиц – протонов, нуклонов и нейтрино:

n_g ~ 10³⁰ см^-3, n_n ~ 10²¹ см^-3, n_v ~ 10³⁰ см^-3.

Нейтрино не участвуют ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях, участвуют лишь в слабых и гравитационных, вследствие чего эти частицы обладают способностью проходить сквозь нормальную земную материю без взаимодействия. Нейтрино образуют практически независимый газ, полное термодинамическое равновесие нарушается; с тех пор метагалактика состоит из двух фактически независимых систем: нейтринного газа и остаточного газа, состоящего из фотонов, лептонов и барионов. Но существование нейтринного газа до сих пор не нашло убедительного экспериментального подтверждения.

Дата добавления: 2014-01-07