И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Максимум его интенсивности прнхо-~ дится на длины волн около 0.1см. Соотношение между числом~ реликтовых фотонов в баришюв (протонов й нейтронов) (10з10ге): 1 в пользу фотовон; Однако суммарная энергия реликтового излучения в настоящее время Иа три порядка меньше 252 Л'енэия 14 этого сценария. Соединение стандартной -космологии и единых теорий позволяет, начиная с плавховского момента, воспроизвести эволюцию остывающей Вселенной в виде табл.
14.3. Для связи между собой физических величин в различные моменты времени помимо формул (14.1), удобно использовать следующие соотношения для средних энергий Е частиц и ха- рактерных расстояний г между ними: 2 ° 10 ы т [см) ы —. (14.5) Е[ГэВ) ' Е[ГэВ) щ 10 ~~Т[К), Первое из них следует из хорошо известной формулы Е ж йТ, а второе — из соотношения неопределенностей г рс = гЕ в Ьс.
Сразу после планковского момента (г > гр~) единое поле распалось и от него отделилось гравитационное взаимодействие. Интервал 10 ез-10 зе с соответствует эпохе Великого объединения трех взаимодействий — слабого, электромагнитного и сильного.
Момент 10 зе с отвечает концу Великого объединения. Прв этом отделяется сильное взаимодействие. Конец Великого объединения наступает при Т ш 10зз К, характерных энергиях частиц 19ы ГэВ и масштабах расстояний 10 зэ см. Составляющими Вселенной в рассматриваемый период (10 ез-10 зе с) были все известные фундаментальные частицы, вюпочая их гипотетическнх суперпартнеров (табл.13.2, 13.3).
) Все частицы безмассовы. В момент крушения Великого объединения переносчики Сил Великого объединения Х- и У-бозоны приобретают массы 10зз-10зе ГэВ/сз, остальвые частицы остаются безмассовыми вплоть до 10 зе с, когда рушится электро- слабая симметрия и происходит разделение электромагнитного и слабого взаимодействий. При этом кварки, лептовы и промежуточные бозоны (Иг~, Я) приобретают массы. Концу электро- слабого объединения соответствует Т = 10зз К, энергии частиц 100 ГэВ, масштабы расстояний 10 месм. За счет аннигиляции и распада Х- и У-бозоны и их античастицы при Г > 10 за с исчезают. Вначале вещество имело столь высокую температуру, что кварки не могли объединиться в адровы, так как высокая тепловая энергия вновь разрушала их. К 10 е с Вселенная охладилась настолько (Т = 10~э К), что стало возможным слияние кварков в адроны.
Произошел кварк-адронный фазовый перевод с образованием адронов и антиадронов, интенсивно взаимодействующих между собой. 253 Таблица 14.3 Догалектическпе этапы эволюдпи Вселевпой Характерные Харектервме темнературм, рьсстоэииз, Этьв/Событие см <10 43с (10 ~1031 10 43с 1обэ 10-33 -43 0-30 1о 33-1о 10 -10 10 ббс 10 10 10-1о, 10 10-13 10 10 1о 14 реход Авраамов эри.
Рондские и зи 10 10 4 10111012 10 1$-10 вигилзиие ьдроиоз н левтоноз 10 -10с 10 13-10 10 1ОЫ-10'О 10 3 10 0.1-1 с зейтрико (аитивейтрино) Дозвездный снвтеэ галан 10 -10 с 10 с-40 000 лет Рб 1О 9 1010-104 (о ы-1о 9 10 10-10 $ Раднанзвэвссал ара. Домвваро- азине «злучехиз иьд веществом Начало эры Веиыств». Веще- 10 10 40 000 ает ство зачинает доминировать над излучением. 3 '10 10 400 000 лет Образование атомов Разделение вещестьа и азиуче- ввз (Вселевньз излучение) зрозрьчна длз Време восле Воаыного ззрмаа Квантовый хаос.
Суаерснмметрвз (объединеиве асах аэаамодейстзкй) Плаиковсквй момент. Отделение гразнтаивоивого аэаинодейстакз Великое объединение (электросльбого з сального взаимодействии) Коман Велвхого объединении. Разделение сального а элехтросла- бого ззьвмодейстзий Ковал электрослабого объеди- нении Кварк адронный фазовый ле- Лелтоввав эра. Ро:кдеиве и зн. звгвлзвиз лелтовоз Отделение нейтрмио. Вселениьз стьвоватсе вроьрьчиой длэ Л'енния 14 254 Помимо распадов частиц освоввыма продессами, идущими аа самых ранних этадах горячей Всепаваой, являются рождение у-квантами пар частаца-аитичастица и аавагилядия этих пар, вновь приводящая к образованию у-квавтов.
В состоянии термодинамического равновесия прямой и обратный дроцессы идут с ояиваковой скоростью и плотность частиц и автачастиц близка . к плотвости у-кваатов. Поэтому основные реакпии, происходив1шие во Вселенной в этот период, можно задисать следующим образом: частиц;ы + автачастацы Ф."Ф 7-квааты, т.е. в горячей Вселеивой должво быдо быть колоссальное колачество античастиц, равиое числу частиц, и прамерво равное числу у-кваитов.
В этот период Вселеаиая была непрозрачна для у-кваитов и реакции образовавия пар частица-аитичастица из 7-кваитов шли с высокой скоростью. С началом образовавия из кварков адронов энергии уквантов какое-то время были достаточны для рождеаия адровов (автиадровов). Этот период эволюции Вселенной носит назвааие эры адронов. Ова иачииается примерно при Г = 10 'ос и заканчивается к 10 в с.
Конец адроввой эры ааступает тогда, когда энергия излучения ствловится меиьше эвергаи покоя самого легкого адроаа — з-мезоиа. В условиях дальнейшего иэделия температуры и давлеаия, когда рождение пар алров-аитиадрои было уже невозможно, а их аапагиляция и распад, естествевко, продолжалвсь, происходило быстрое умевьшеаие числа адроиов. Умеиьшевие числа адроиов (автиадроиов) привело к повышению числа легких частил — лептовов, являющихся продуктами распада адронов. На этом этапе эиергия фотонов была еще достаточна для рождения пар лептои-аатиледтов. Этот период называют лвннзонноб эрой, и основные процессы, проасходашпие в эту зру, можно представить следующей схемой: адроиы+ аитиадролы -~ у-кваиты <=Э лептовы+ автвлептовы.
В лептоваую эру такэхе ааблюдалось статистическое равиовесие, при котором лептов-аитиледтоааые пары рождались и авввгилировали примерно с одаиаковой скоростью. Вселепвая в этот период, помимо Фотонов, состояла из лептовов (аитилептонов) — в основном электровоз (цозитроаов), нейтрино (аитииейтриво) и небольшого количества легчайших баркоиов— протонов н нейтронов, оставшихся после адронной эры. К этому небольшому количеству барионов мы вернемся анже. Лептонная эра завершается примерно к десятой секунде, когда температура падает до 10ш К в энергия фотонов становятся недостаточнымн для рождения пары самых легких заряженных лептонов — е е+.
В лептонную зру произошло еще одно важное событие— через несколько десятых долей секунды после Большого взрыва Вселенная стала прозрачной для нейтрино (антинейтриво). Энергии пар нейтрино-антинейтрино были уже недостаточвымн для создания пар е е+. В дальнейшем нейтрино (антинейтрвно) н вещество расширялись независимо — изменение температуры н давления нейтрино не совпадало с изменением температуры и давления остальной части Вселенной. Нейтрвнвый газ в дальнейшем только охлаждался за счет расширения, Число нейтрино прн этом должно было сохраниться нензменным до наших дней.
Их концентрация должна быть примерно такой же, как и для реликтовых фотонов. Однако, в связи с тем, что отделение нейтрино пронзошло раньше, чем отделение излучения, температура реликтовых нейтрино должна быть несколько меньше. К настоящему моменту нейтринный газ должен охладиться до 1.9 К для безмассовых нейтрино (при оз„сз = 30 эВ температура будет 0.005 К). Обнаружение реликтовых нейтрино — важная н сложная проблема. Можно оценить верхнюю гранвцу массы реликтовых нейтрвно, исходя вз наблюдаемой плотности вещества во Вселенной (10 зэ г~смз).
Такая оценка приводит к следующему условию на суммарную массу трех типов нейтрнно: (оз„, + гл „+ т„)с < 50 зВ, суШествевно ограннчнвая массы мюонного н тау-нейтрино по сравнению с лабораторными измерениями. На смену лептонной эре приходит радиачиовиая эра.
В на; чапе этой эры было еше много лептонов, во за счет аннигвляцнн онн быстро исчезали, преврашаясь в излучение. Таким образом, Вселенная от состояния, когда плотность массивных частиц была близка к плотности фотонов, перешла к состоянию, в котором плотность фотонов на много порядков превосходила плотность, частиц с массой. Вселенная нрактвческн полностью стала состоять из фотонов н нейтрино. 256 Деичия Ц В начале радиационной эры излучение интенсивно взалмодействовало с заряженными частвцами (протонами, электронами), входившими в состав Вселенной. За счет расширения происходило охлаждение Вселенной, в том числе и фотонов. Фотоны охлаждались за счет эффекта Допцлера при отражении от удаляющихся частиц. Увеличение длины волны фотонов ЬЛ связано с увеличением расстояния гзВ между удаляющимися при расширении Вселенной частицами следующим соотношением: ЬЛ ЬЯ (14.6) з Л Н' При дальнейшем расширении Вселенной отношение конпентраций фотонов и массивных частиц остается постоянным.
Зги концентрацви пропорциональны 1/Вэ, где  — радиус Вселенной, т.е. умевыцаются с одинаковой скоростью. При этом энергия ве имеющего массы фотонного газа, в соответствии с (14.6), неограниченно стремится к нулю (в целом плотность энергии излучения падает с расширением пропорционально 1/Н4). В то же время полная энергия массивных частиц ограничена снизу их суммарной массой покоя. Примерно через 40000лет после Болъшого взрыва, когда температура унана до Т эз 10еК, суммарная энергия, заключенная в веществе (с учетом массы), начинает превосходить суммарную энергию излучения. Во Вселенной начинает доминировать вещество и на смену радиационной эре приходит эра вещеспие. При охлаждении до Т в 3 10зК происходит объединение протонов и электронов в атомы водорода (рекомбинация).
Плазменное состояние вещества Вселенной сменяется состоянием нейтральных атомов (среди вих уже есть атомы дейтерия и гелия) и излучение практически перестает взаимодействовать с веществом. Вселенная становится прозрачной для излучения. Это происходит примерно через 400 000 лет после Большого взрыва, когда шютвость вещества снижается до в 10 зе г/смз. Начиная с этого момента фотоны реликтового излучения охлаждаются, двигаясь свободно в расширяющейся Вселенной (ее поперечный размер в это время эз 10зз см).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
