ERA_HADR.DOC

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 g, 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 anihiluja (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 . Źródło zaistniałej asymetrii tkwi najprawdopodobniej 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 (z poprz. strony). 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 elektromagnetycznych, 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 ( i ) , 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 to po rozpadach pozostaną równe ilości kwarków i antykwarków oraz leptonów i antyleptonów i z czasem wszystko może całkowicie zanihilować. Jeśli jednak choć minimalnie to pozostanie pewna nadwyżka materii nad antymaterią. Nie ma w zasadzie powodu, dla którego obydwa prawdopodobieństwa rozpadu musiały by 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 :

W tym przykładzie, jak wynika z pomiarów, różnią się o 0.007. A więc i dla bozonów X podobny efekt nie jest wykluczony. Wystarczy tu różnica prawdopodobieństw o 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  opisywana już era  hadronowa.