Rieth József: Világom - Anyagvilág - Háttérismeret

Korai, inflálódó Világegyetem

 

(<<< (Tartalomjegyzék) <<<  Világképem <<<)   Planck-időszak <<<     > Planck-korszak > Inflálódás      >>> Kvark időszak        

A 10-4 s-t megelőző időszakot a kozmológiában a nagyon korai Univerzum névvel illetik. Ebben a korszakban az anyag még alapvetőbb formákban létezett, mint a fent leírt részecskék. Azt, hogy ez a korszak vizsgálhatóvá vált nem annyira a kozmológia fejlődése szülte, hanem inkább a részecskefizikáé. Napjainkra odáig jutott az elméleti fizika, hogy az alapvető kölcsönhatások egyesítésén lehet dolgozni. Azonban a részecskegyorsítók jelenlegi energiakorlátai 13 nagyságrenddel alatta vannak az egyesített elméletek kísérleti ellenőrzése által megkívánt szintnek, így az egyetlen lehetőség az ellenőrzésre a korai Univerzum vizsgálata lehet Ennek a fejezetnek a tárgya ezért is fontos, (ahogy kozmológus körökben tréfásan meg szokták jegyezni: a korai Univerzum a szegény ember részecskegyorsítója (Jayant Narlikar).) mert az Univerzum 10-37 s-os korában a részecskék jellemző energiája 1016 GeV nagyságrendű volt. Ám a fejezet elején tárgyalandó elméleti leírás igazából még spekulatívnak tekinthető. Menetközben néhány olyan probléma is felmerül, melyek akkor oldhatók meg, ha feltesszük, hogy az Univerzum nagyon korai korszakának volt egy szakasza, amikor az rendkívül gyorsan, inflációsan tágult.

A nagyon korai Univerzum még nem tartalmazott barionokat és mezonokat, hanem jelenlegi elképzeléseink szerint szabad kvarkokból, leptonokból és erőközvetítő bozonokból álltak

4.1. ábra. Az elemi részecskék rendszere. Hatféle kvark ismert az ábra sorrendjében: fel, bájos, top, le, különös, alsó.

Szintén hatféle lepton létezik: az elektron, müon, tau részecske és mindegyikhez egy neutrínó. Négyféle ún. mértékbozon van,

mindegyik egy-egy alapvető kölcsönhatásért felel. Minden részecskének van antipárja

Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

A masszív részecskék fennmaradása

Abból a feltevésből indulunk ki, hogy a kvarkok részecskékké (és antirészecskékké) álltak össze és megvizsgáljuk, hogy milyen kritériumok határozzák meg ezeknek a részecskéknek a fennmaradását. Amíg a részecskék relativisztikusak, addig a relativisztikus közelítés érvényes az eloszlásukra is. ...  Általában a részecskék és antirészecskék annihilálódhatnak, ha közel kerülnek egymáshoz. ... Az ellenkező reakció során egy részecske-antirészecske pár keletkezik. Az a kérdés most, hogy ez a kölcsönhatás hogyan befolyásolja a részecskék és antirészecskék számsűrűségét?

4.2. ábra. A különböző részecskék nem egyszerre válnak nem-relativisztikussá, és így nem egyszerre csatolódnak le.

A függőleges tengelyen a számsűrűség van, a vízszintesen pedig a hőmérséklet reciproka. A lecsatolódás nemcsak a

részecske tömegétől függ, hanem a kölcsönhatás erősségétől is, amiben részt vesz.

 Induljunk ki abból, hogy a részecskék és antirészecskék számsűrűsége kezdetben azonos. A számsűrűséget két esemény változtatja, a részecskekeltés növeli, az annihiláció csökkenti. Ahhoz, hogy az egyensúly fennmaradjon gyakori ütközések kellenek. ... A bomlási ráta hőmérsékletfüggése nem erős, így kezdetben gyakoriak az ütközéseket. Egyensúlyi esetben, ... ha a kérdéses anyagfajta relativisztikus még akkor is, amikor az ütközési ráta ... csökken, ... az ütközések már nem fognak gyakori annihilációhoz, vagy részecskekeltéshez vezetni.

Ám előfordulhat, hogy ... a relativisztikus eset megszűnik, mielőtt az ütközési ráta 1 alá esne. Ilyen esetben a részecske számsűrűsége gyorsan esik a hőmérséklettel. Valamikor a részecskeszám teljesen kifagy, és változatlan marad később is. A 4.2. ábra mutatja, hogyan történik a kifagyás a hőmérséklet csökkenésével.

Részletes számításokat lehet végezni arra vonatkozóan, hogy ebből kiindulva mennyi lesz a barion-foton arány a kifagyás után. Erre ≈ 10-18-at fogunk kapni, míg mérések és más becslések azt mutatják, hogy ez csak 10-9. A magyarázathoz bele kell mélyedni egy kicsit az egyesített elméletek világába.

Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

GUT-ok (Nagy Egyesítés Elméletek)

Az előzőek arra vezettek minket, hogy a barion-foton arány csak 10-9, ám más becslések éppen a négyzetét jósolják ennek. Továbbá nem tudunk számot adni arról a tényről, hogy miért van jóval több barion, mint antibarion, hiszen az előző pontban írottak szimmetrikusak voltak barionokra és antibarionokra egyaránt. A megoldás az ún. GUT (Grand Unified Theory) keretein belül elképzelhető, ami, vagy amelyek (mivel több próbálkozás is létezik) megpróbálják egyesíteni a négy alapvető kölcsönhatás közül az elektromágnesest, a gyenge és az erős kölcsönhatást. Vizsgáljuk meg ezeket kicsit jobban!

Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

A kölcsönhatások csoportelméleti szemmel

Elsőnek nézzük az elektromágneses kölcsönhatást. Ez a kölcsönhatás azt írja le, hogy az egész töltések hogyan hatnak kölcsön fotoncsere segítségével. A gyenge kölcsönhatás a következő, amely egyaránt összekapcsol töltött és semleges leptonokat is. Egy tipikus kölcsönhatás során a párok tagjai kicserélődnek, a leptonmegmaradás miatt.

Ha egyesített elméletet szeretnénk gyártani, akkor elvárjuk, hogy a résztvevő kölcsönhatások erőssége összevethető legyen. Tudjuk, hogy ez nem teljesül semelyik két kölcsönhatásra sem laboratóriumi körülmények között, ám nagy energiákon már igaz, hogy két kölcsönhatás erősségének különbsége elhanyagolható a jelenlévő energiához képest (4.3. ábra).

4.3. ábra. Az alapvető kölcsönhatások egyesítési energiája, és relatív erősségük.

A gravitáció kivételével mindhárom kölcsönhatás egyesíthetőnek tűnik 1015 GeV energiánál, ám ahhoz, hogy a gravitáció is bekerüljön az egyesítésbe 1019 GeV-ig el kell menni. Az előbbi egyesítési kísérletet foglalja magában a GUT, méghozzá egy SU(3)× SU(2)L× U(1) csoport alkalmazásával. Azonban ez helyettesíthető egy SU(5) csoporttal. Ennek egy 5×5-ös mátrix a transzformációs mátrixa, ahol a H mátrixnak 24 önkényes állandója van. Ebből négy már megvan az elektrogyenge kölcsönhatásból, nyolc (gluonok) pedig az erős kölcsönhatásból, marad 12. Ezeket X-bozonként emlegetik.

A hiányzó X-bozonok lehetnek a felelősek az erős és az elektrogyenge kölcsönhatás összekapcsolásáért, ezáltal lehetségessé válhat bármely hat kvark és lepton felcserélése, így lehet barionokat kelteni és eltüntetni. Feltételezhető, hogy a proton bomlik, egy pozitronra és egy μ-mezonra, úgy hogy egy kvark pozitronná alakul egy X-bozon cseréjével. A proton bomlását eddig nem sikerült megfigyelni, tehát a felezési időre lehet korlátot adni: τp>1029 év. Ebből pedig lehet az X-bozon energiájára is korlátot adni: mXc2>1015 GeV. Ám az 1980-as évek kísérletei újabb korlátot adtak a felezési időre, ami már 1031 év! Ebből valószínű, hogy nem egyszerű megalkotni a GUT-ot.

Egy további alternatíva azt állítani, hogy a barionszám nem marad meg, ezzel magyarázható a barionok túlsúlya az antibarionok felett. A továbbiakban egy ettől is különböző javaslatot mutatunk be.

Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

Bariongenezis a korai Univerzumban

Tegyük fel, hogy a barionszám nem marad meg, és az X-bozonokkal való ütközés változtatja meg. Ilyenkor három tényező aránya szabja meg a történéseket: Γc ezen említett ütközések aránya, ΓX az X-bozonok bomlási aránya, és H az akkori Hubble-állandó. Ezek reciproka adja meg a jellemző időskálákat.

Ez a GUT időszak 1019 GeV körül van. Amikor a jellemző energia még az említett energia fölött van, akkor a gravitáció elég erős, alatta azonban már csökken a jelentősége, így a részecskék szabadokként foghatók fel. A kérdés a következő: hogyan kezdődik el az X-bozonok bomlása, melyek kétségkívül legelőször válnak nem-relativisztikussá. Két eset lehetséges.

Ebben az esetben a bomlás akkor kezdődik, amikor az X-bozonok még egyensúlyi eloszlásban vannak. Ebben az esetben az X-bozonok nem képesek bariontöbblet keltésére, hiszen hőmérsékleti egyensúlyban a bomlásokat inverz bomlások kompenzálják. Ebben az esetben az eloszlás torzult, amikor a bomlás megkezdődik, így nincs egyensúly a bomlás és az inverz bomlás között. Ezért valószínűleg ez történt a valóságban is, az X-bozonok eloszlása a termodinamikai egyensúlytól kellő időben eltérve okozhatja a többletet a barionszámban. Innen is lehet becsülni (Az X-bozonok akkor bomlanak, amikor az Univerzum kora összevethető a bomlás időskálájával, ebből megadható ennek hőmérséklete is ez a GUT-ban kb. 160), az αX pedig a kölcsönhatás csatolási állandója. Amikor TX felülmúlja ezt az értéket, akkor kezdődik a bomlás: TX>T. Ez ad egy becslést a tömegre.) az X-bozonok jellemző energiáját: ≈ 1016 GeV.

Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

Spontán szimmetriasértés

Az átmenet az SU(3)× SU(2)L× U(1) szimmetriacsoportba egy magasabb szimmetriacsoportból spontán. Ilyenkor a Higgs-mezőknek nevezett skalármező-csoport tagjai megváltoztatják értékét 0-ról valami véges értékekre.

A pontos magyarázatra nincs lehetőség, de egy analógia megvilágíthatja, hogy mi történik. Egy darab ferromágnes a Curie-hőmérséklet fölött mágneses tulajdonságokat mutat külső mágneses térben, mert az a legalacsonyabb energiájú állapot. A Curie-hőmérséklet alatt a legalacsonyabb energiájú állapot az, ha minden atomi mágnes egy irányba áll be. Ám ebből kettő van: ha felfele és ha lefele. Ez a két állapot szimmetrikus, de csak egyik állhat fenn: a szimmetria megbomlik, noha végül is a háttérben jelen van.

Hasonló történik a korai Univerzumban is: amíg a hőmérséklet egy kritikus érték (Tc) fölött van, akkor a Higgs-mező legalacsonyabb értéke φ=0. Ez alatt a hőmérséklet alatt már nem ez a legalacsonyabb energiájú állapot, hanem valami nem-zéró érték (később ezt bővebben is megvizsgáljuk).

Ha az Univerzumban nem teljesen egyformák a fizikai viszonyok a hely függvényében akkor különböző φi értékek jelentik a legalacsonyabb energiákat helyről-helyre, így Higgs-mező szempontjából domének keletkeznek az Univerzumban. Két ilyen domén metszése a kozmikus húr. Ezeknek nagy szerepe lehet a galaxiskeletkezésben. Mindazonáltal egykori domének nyomaira utaló egyenetlenségekkel alig találkozni az Univerzumban.

Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

Az infláció

Az elmélet azt feltételezi, hogy az Univerzum korai szakaszában, a t=10-32s előtt egy kis ideig a tágulás nem a standard modell szerint zajlott, hanem rendkívül gyorsan. A tágulás sebessége meghaladta a c fénysebességet is. Az Univerzum ebben a korszakban az inflációt megelőző méretének 1020-1030-szorosára fúvódott fel.

Alan Guth amerikai fizikus javasolta a fenti megoldást. Az infláció ideje alatt a tágulás annyira gyors, és maga az infláció annyira kevés ideig tart, hogy ezalatt a horizont állandónak tekinthető, és rajta anyag áramlik ki, mely előzőleg már oksági kapcsolatban állt egymással. Manapság a horizonton az az anyag jön be újból, mely az infláció alatt fújódott ki. A horizontprobléma tehát így megoldható az infláció modelljével. Az infláció alatt az Univerzum sűrűsége a kritikus sűrűséghez közeledik, így megoldódik a lapossági probléma is.

Elemezzük részletesen is ezt az elméletet! Képzeljük el, hogy hirtelen lehűtünk egy gőzzel teli edényt 100oC alá, de az még nem kezd el kicsapódni (túlhűtés). Amint valamin lehetőség van kicsapódni a gőznek, valamilyen kondenzációs magokon, viharos gyorsasággal megindul a kondenzáció. Hasonló dolog történik a GUT fázisátmenetkor. A 4.4. ábra az effektív potenciál értékeit mutatja különböző hőmérsékletekre.

4.4. ábra. A Higgs-mező alakja különböző hőmérsékleti értékeken.

A Tc a fázisátmenet hőmérséklete.

Az ábráról látható, hogy amikor a hőmérséklet az Univerzumban a GUT fázisátmenet hőmérsékletével egyezik meg, akkor a potenciálnak két zérushelye is van, és ezalatt a hőmérséklet alatt pedig az új minimum meghaladja a régit, amibe a mező átalagutazik, de nem azonnal, mint a túlhűtött gőz. Látható, hogy az utolsó görbének is van egy kicsi púpja φ=0 után, így értendő, hogy alagutazni kell: átmenni ezen a kicsiny púpon. A két szint energiakülönbsége fedezi az inflációs tágulást. Ez kvantummechanikai úton számolható, és azt eredményezi, hogy a skálafaktor 1029-szeresére növekszik meg. Ez megoldja mind a laposság, mind a horizont problémáját, de a másik kettőt is, hiszen az entrópiához egy alternatív tágulási kép volt szükséges, a mágneses monopólusokkal kapcsolatban pedig azt szokás mondani, hogy azok kisodródtak a jelenlegi horizonton túlra, éppúgy, mint a doménfalak és húrok.

                                Korai Univerzum - Fennmaradás - GUT - Kölcsönhatás - Bariongenezis - Szimmetriasértés - Infláció

Háttérismeret és irodalom:

Abszorpció, Alfasugárzás, Állapotfüggvény, Antirészecske,

Carnot-körfolyamat, Centrifugális erő,

Dirac egyenlet,

EPR_paradoxon, Erőtér, Éter-elmélet,

Fejlődésképünk, Fenntartható fejlődés, Fényelnyelő gyűrű, Fény kettős természete, Fizika és_kvantumelmélet,

          Fizika ellentmondásai, Fizikai folyamatok, Folyadék, Fúzió,

Gázfelhők ősanyagból, Gerjesztés, Görbe Alex gondolatai,

Hőmozgás, Hősugárzás,

Idődilatáció, Inflálódás, Ionizáció, Izospin,

Klasszikus mechanika, Koppenhágai Interpretáció, Kvantumfizika és_tudat, Kvantum térelmélet,

Lapos térgeometria,

Mágneses mező, Mágneses tükrök, Maxwell-egyenlet, Mechanika, Merev test, Mező térelmélet, Möbiusz-változatok, Möbiusz szalag,

Nehézségi erő, Newton törvénye,

Perdület, Perturbációszámítás, PLANCK IDŐSZAK,

Rugalmas testek,

Schrődinger egyenlet, Sötét energiára kaméleonvadászat, Standard Modell_Alapjai, Statisztikus fizika, Statisztikus mechanika, Struktura,

Végtelen

 

(<<< (Tartalomjegyzék) <<<  Világképem <<<)   Planck-időszak <<<     > Planck-korszak > Inflálódás      >>> Kvark időszak        

 

------------------

http://astro.elte.hu/icsip/kozmologia/inflacio/index.html

http://astro.elte.hu/icsip/kozmologia/inflacio/massziv.html

http://astro.elte.hu/icsip/kozmologia/inflacio/gut.html

http://astro.elte.hu/icsip/kozmologia/inflacio/barion.html

http://astro.elte.hu/icsip/kozmologia/inflacio/spontan_szim_sertes.html

http://astro.elte.hu/icsip/kozmologia/inflacio/inflacio.html

http://forum.index.hu/Article/viewArticle?a=102010144&t=9037171

http://astro.u-szeged.hu/oktatas/asztrofizika/html/node162.html

 

 

Planck-időszak; 10-43s-ig; nem vált szét a négy alapvető kölcsönhatás;
Inflációs fázis; 10-33s és 10-30s között fejeződött be; rendkívül nagy tágulás 1030 és 1050 közötti arányban;
Kvark-időszak; 10-7s-ig; kvarkok, leptonok és fotonok léteznek;
Hadron-időszak; 10-4s-ig; protonok, neutronok és antirészecskéik összeállnak a kvarkokból; ezenkívül a müonok, elektronok, pozitronok és a fotonok léteznek;
Lepton-időszak; 10s-ig; elbomlanak a müonok, a pozitronok megsemmisülnek elektronnal találkozva (annihiláció);
Sugárzás-időszak; kb. 380 000 évig; H, He, Li jön létre;
Anyag-időszak; máig; az atommagok befogják az elektronokat, az anyag átláthatóvá válik, csillagok és galaxisok jönnek létre;