Teilchenzeitalterwie Quarks, Antimaterie und Neutrinos entstanden
Als das Universum abkühlte, banden sich Quarks zu Protonen und Neutronen, und die Materie besiegte die Antimaterie. Die Ereignisse dieser Ära und die Entdeckung von Quarks, Antimaterie und Neutrinos.
Im Kosmischen Kalender: Die ersten 3 Minuten des 1. Januar10⁻¹² s – 3 minDen ganzen Kalender ansehen
Die Teilchenära reicht von 10⁻¹² s nach dem Urknall bis 3 Minuten. In dieser Zeit streiften Quarks zuerst frei umher und wurden dann in Protonen und Neutronen eingeschlossen, Elektronen und Positronen beherrschten das Universum, und bei etwa 1 Sekunde begannen Neutrinos, frei zu reisen. Das spannendste Stück ist eine Buchführung: Auf jede Milliarde Paare aus Teilchen und Antiteilchen kam ein überzähliges Materieteilchen. Heutige Sterne, Berge und Menschen stammen alle aus diesem winzigen Überschuss.
Je früher der Zustand, desto schwerer ist er direkt zu beobachten. Forscher stellen extreme Bedingungen in Beschleunigern nach oder rechnen sie theoretisch durch. Achte beim Lesen darauf, ob jeder Punkt auf experimentellem Beleg oder auf theoretischer Vorhersage beruht.
Sechs Ereignisse
- 10⁻¹² s · Quarkepoche: Quarks streifen frei durch eine heiße Suppe, wie Zutaten, die in einem kochenden Topf schwimmen.
- 10⁻¹¹ s · Baryonenasymmetrie: Ein überzähliges Materieteilchen pro Milliarde Teilchen-Antiteilchen-Paare. Deshalb überlebte die Materie.
- 10⁻⁶ s · Hadronenepoche: Quarks werden in Protonen und Neutronen eingeschlossen, und ein einzelnes Quark wird nie wieder gesehen.
- 1 s · Leptonenepoche: Elektronen und Positronen beherrschen das Universum.
- 1 s · Neutrino-Entkopplung: Neutrinos reisen nun frei und wechselwirken fast nie mit anderer Materie.
- 10 s · Elektron-Positron-Annihilation: Eine kleine Zahl Elektronen bleibt übrig, und die Photonen nehmen stark zu.
Quarks: vom Modell zur Flüssigkeit
Zuerst kam eine Idee, die Ordnung in die Teilchenfamilie brachte: Protonen und Neutronen bestehen aus kleineren „Quarks“. Sie räumte den chaotischen Teilchenzoo der Zeit auf, in einem Aufsatz mit dem Titel „A schematic model of baryons and mesons“ (Gell-Mann, Physics Letters, 1964). Die nächste Frage war, warum man Quarks nie allein sieht. Die Antwort heißt asymptotische Freiheit: Je näher sich Quarks kommen, desto schwächer wirkt ihre Wechselwirkung, und je weiter sie auseinander sind, desto fester werden sie zusammengezogen, sie bleiben also eingesperrt. Der Aufsatz heißt „Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories“ (Gross und Wilczek, Physical Review Letters, 1973).
Der Zustand frei umherstreifender Quarks wurde inzwischen im Labor nachgestellt. Schwerionenkollisionen reproduzierten das Quark-Gluon-Plasma der ersten Mikrosekunden, das sich wie eine Flüssigkeit mit fast keiner Viskosität verhält (STAR Collaboration, Nuclear Physics A, 2005).
Antimaterie: erst auf dem Papier, dann in der kosmischen Strahlung
Paul Dirac verband Quantenmechanik und Relativitätstheorie, um das Elektron zu beschreiben, und eine Lösung seiner Gleichung sagte unerwartet Antimaterie voraus. Sein Aufsatz heißt „The quantum theory of the electron“ (Dirac, Proceedings of the Royal Society A, 1928). Wenige Jahre später wurde die Vorhersage bestätigt: In der kosmischen Strahlung wurde ein positiv geladenes Elektron fotografiert, das erste Mal, dass Menschen Antimaterie sahen. Der Aufsatz hat einen schlichten Titel, „The positive electron“ (Anderson, Physical Review, 1933).
Warum die Materie gewann
Teilchen und Antiteilchen entstehen paarweise, wie also blieb ein Materieüberschuss? Andrei Sacharow nannte drei Bedingungen, die nötig sind, damit das Universum mehr Materie als Antimaterie hervorbringt und die bis heute der Ausgangspunkt der Forschung sind. Der Titel seines Aufsatzes nennt das Thema direkt: „Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe“ (Sakharov, JETP Letters, 1967). Ein weiterer Hinweis kam aus dem Experiment: Der Zerfall des K-Mesons zeigte, dass die physikalischen Gesetze zwischen Materie und Antimaterie nicht perfekt symmetrisch sind. Der Aufsatz heißt „Evidence for the 2π decay of the K₂⁰ meson“ (Christenson, Cronin, Fitch und Turlay, Physical Review Letters, 1964).
Neutrinos: Geisterteilchen
Neutrinos wechselwirken kaum mit etwas, deshalb ist es schwer, eines zu fangen. Forscher warteten jahrelang neben einem Kernreaktor und fingen dieses „Geisterteilchen“ schließlich ein, in einem Aufsatz mit dem Titel „Detection of the free neutrino: a confirmation“ (Cowan, Reines et al., Science, 1956). Später fand man, dass Neutrinos zwischen drei Typen wechseln, was bedeutet, dass sie Masse haben. Die Beobachtung stammt vom Detektor Super-Kamiokande, in einem Aufsatz mit dem Titel „Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos“ (Fukuda et al., Physical Review Letters, 1998).
So zeigt es das Spiel
Im Spiel ist der Zeitraum der Teilchenära mit „10⁻¹² s bis 3 Min“ angegeben, und ihre Ressource sind Teilchen. Die Generatoren sind Quark-Gluon-Plasma, Materie-Antimaterie-Annihilation, Hadronisierung und Neutrino-Entkopplung, passend zu den obigen realen Prozessen. Die Generatoren sind nur eine Möglichkeit, die Reihenfolge dieser Phasen zu spüren. Solche Maschinen gibt es in der Realität nicht.
Reale Grundlage
Quark-Epoche (10⁻¹² s): Quarks bewegen sich frei in einer heißen Suppe
Baryonen-Asymmetrie (10⁻¹¹ s): ein überschüssiges Materieteilchen auf eine Milliarde Materie-Antimaterie-Paare
Hadronen-Epoche (10⁻⁶ s): Quarks werden in Protonen und Neutronen eingeschlossen
Lepton-Epoche (1 s): Elektronen und Positronen beherrschen das Universum
Neutrino-Entkopplung (1 s): Neutrinos fliegen nun ungehindert
Elektron-Positron-Vernichtung (10 s): Einige Elektronen bleiben übrig, und Photonen vermehren sich
Verwandte Forschung
Diese Studien hängen mit dem Thema zusammen, belegen diese Seite aber nicht direkt.
Das Quarkmodell: Gell-Mann schlug vor, dass Protonen und Neutronen aus kleineren „Quarks“ bestehen, und brachte Ordnung in den Teilchenzoo.
Quelle: Gell-Mann, Physics Letters 1964, "A schematic model of baryons and mesons"
Asymptotische Freiheit: Je näher sich Quarks kommen, desto schwächer wechselwirken sie; je weiter auseinander, desto fester ziehen sie. Das erklärt, warum Quarks immer zusammengesperrt sind.
Quelle: Gross & Wilczek, Physical Review Letters 1973, "Ultraviolet behavior of non-abelian gauge theories"
Sacharow-Bedingungen: Sacharow nannte drei Bedingungen, damit das Universum „mehr Materie als Antimaterie“ erzeugt. Sie sind bis heute der Ausgangspunkt der Forschung.
Quelle: Sakharov, JETP Letters 1967, "Violation of CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe"
CP-Verletzung: Der Zerfall des K-Mesons zeigte, dass die physikalischen Gesetze für Materie und Antimaterie nicht vollkommen symmetrisch sind.
Quelle: Christenson, Cronin, Fitch & Turlay, Physical Review Letters 1964, "Evidence for the 2π decay of the K2 0 meson"
Das Positron: Anderson fotografierte in der kosmischen Strahlung ein positiv geladenes Elektron, das erste Mal, dass Menschen Antimaterie sahen.
Quelle: Anderson, Physical Review 1933, "The positive electron"
Die Dirac-Gleichung: Dirac verband Quantenmechanik und Relativitätstheorie, um das Elektron zu beschreiben, und eine Lösung seiner Gleichung sagte unerwartet Antimaterie voraus.
Quelle: Dirac, Proceedings of the Royal Society A 1928, "The quantum theory of the electron"
Das Neutrino einfangen: Nach jahrelangem Warten an einem Kernreaktor fingen sie endlich dieses „Geisterteilchen“ ein, das kaum mit etwas wechselwirkt.
Quelle: Cowan, Reines et al., Science 1956, "Detection of the free neutrino: a confirmation"
Neutrino-Oszillation: Der Super-Kamiokande-Detektor fand, dass Neutrinos zwischen drei Sorten wechseln, was bedeutet, dass sie Masse haben.
Quelle: Fukuda et al. (Super-Kamiokande), Physical Review Letters 1998, "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos"
Die perfekte Flüssigkeit: Schwerionenkollisionen erzeugten das Quark-Gluon-Plasma der ersten Mikrosekunden des Universums nach, das sich wie eine Flüssigkeit mit fast keiner Viskosität verhält.
Quelle: STAR Collaboration, Nuclear Physics A 2005, "Experimental and theoretical challenges in the search for the quark–gluon plasma"