Oddziaływania elementarne i wczesny Wszechświat.pdf

ODDZIAªYWANIA ELEMENTARNE

I WCZESNY WSZECH±WIAT

STEFAN POKORSKI, KRZYSZTOF TURZYSKI

ODDZIAªYWANIASILNE,SªABEIELEKTROMAGNETYCZNE,WPEªNIZROZUMIANEWRAMACH

MODELUSTANDARDOWEGO,S¡ODPOWIEDZIALNEZANUKLEOSYNTEZ¦ITWORZENIESI¦

NEUTRALNYCHATOMÓW.STANDARDOWYMODELKOSMOLOGICZNYRAZEMZMODELEM

STANDARDOWYMODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHDAJEWPEªNIZGODNYZOBSERWACJAMI

OPISHISTORIIWSZECH±WIATA,POCZ¡WSZYODPIERWSZEJSEKUNDYPOWIELKIM

WYBUCHU.WTYMMOMENCIETEMPERATURAWSZECH±WIATAWYNOSIªAOKOªO

10MILIARDÓWKELWINÓWIWCI¡»PANOWAªARÓWNOWAGATERMODYNAMICZNA

MI¦DZYELEKTRONAMI,NEUTRINAMI,FOTONAMI,PROTONAMI,NEUTRONAMIIJ¡DRAMI

ATOMOWYMI,PRZYCZYM,ZGODNIEZROZKªADEMSTATYSTYCZNYM,TYCHOSTATNICH

BYªOZNIKOMOMAªOZUWAGINAICHDU»¡MAS¦.WRAZZDALSZYMOBNI»ANIEM

SI¦TEMPERATURYWSZECH±WIATAPODSTAWOWEPROCESYZAPEWNIAJ¡CERÓWNOWAG¦

TERMODYNAMICZN¡MI¦DZYPROTONAMI,NEUTRONAMIIINNYMICZ¡STKAMI{

TJ.PRZEMIANY ,CZYLINP.PROCES P + E $ N + {ZACZ¦ªYPRZEBIEGA¢ZBYTWOLNO

WPORÓWNANIUZTEMPEMROZSZERZANIASI¦WSZECH±WIATA.NEUTRONYPRZESTAªY

WI¦CBY¢WRÓWNOWADZETERMODYNAMICZNEJZRESZT¡CZ¡STEK.OZNACZMYPRZEZ T N

TEMPERATUR¦,PRZYKTÓREJTONAST¡PIªO.STOSUNEKG¦STO±CINEUTRONÓWDOG¦STO±CI

PROTONÓW(DECYDUJ¡CYWOSTATECZNYMROZRACHUNKUOLICZBIEJ¡DERATOMOWYCH)

PRZESTAªZMNIEJSZA¢SI¦WRAZZESPADKIEMTEMPERATURYOTOCZENIAIUSTALIªSI¦

NAPOZIOMIEPRZEWIDYWANYMPRZEZROZKªADSTATYSTYCZNYDLATEMPERATURY T N .

PONIEWA»NEUTRONYS¡NIECOCI¦»SZEODPROTONÓW,STOSUNEKLICZBYNEUTRONÓW

DOLICZBYPROTONÓWZALE»AªWISTOTNYSPOSÓBODTEMPERATURY T N ,ATAZA±OD

LICZBYRODZAJÓWNEUTRINISIªYODDZIAªYWA«SªABYCH(WSTANDARDOWYMMODELU

KOSMOLOGICZNYMTENSTOSUNEKWYNOSIOKOªO1/6).NIEODWRACALNEJU»ROZPADY ,

PRZEKSZTAªCAJ¡CENEUTRONYWPROTONY,ELEKTRONYINEUTRINA,SPOWODOWAªY

NAST¦PNIEDALSZYSPADEKLICZBYNEUTRONÓWORAZWZROSTLICZBYPROTONÓW(STOSUNEK

LICZBTYCHCZ¡STEKSPADªDOOBECNEJWARTO±CI1/7).

DRUGIETAPNUKLEOSYNTEZYPOLEGAªNAª¡CZENIUPROTONÓWINEUTRONÓWW

J¡DRAATOMOWE.POCZ¡TKOWOPROCESTENPRZEBIEGAªWSPOSÓBODWRACALNY,

GDY»ZNAJDUJ¡CESI¦WEWSZECH±WIECIEFOTONYMIAªYWCI¡»ENERGIENAOGÓª

WYSTARCZAJ¡CEDOROZBIJANIANOWOPOWSTAJ¡CYCHJ¡DER.DOPIEROWMIAR¦SPADKU

TEMPERATURYWSZECH±WIATAENERGIEFOTONÓWZMNIEJSZYªYSI¦NATYLE,»EJ¡DRA

ATOMOWENIEULEGAªYJU»ROZBICIU{MOMENTTENZALE»AªODSIªYWI¡ZANIA

PROTONÓWINEUTRONÓWWJ¡DRA,CZYLIODWªA±CIWO±CIODDZIAªYWA«SILNYCH.

WREZULTACIEPRAWIEWSZYSTKIENEUTRONYZOSTAªYZWI¡ZANEWJ¡DRAIZOTOPUHELU

4 HE(ZWANEINACZEJCZ¡STKAMI ),ZAWIERAJ¡CEDWAPROTONYIDWANEUTRONY.

MO»NAST¡DOBLICZY¢,»EWYTWORZONEWTENSPOSÓBJ¡DRA 4 HESTANOWIªY25%

PIERWOTNEJMATERIIBARIONOWEJ.OPRÓCZTEGOPOWSTAªYNIEWIELKIEDOMIESZKI

J¡DERHELU 3 HE,DEUTERU 2 H(MNIEJWI¦CEJ0,001%{0,1%OGÓLNEJLICZBYJ¡DER

WZALE»NO±CIODPOCZ¡TKOWEJLICZBYPROTONÓWINEUTRONÓW)ORAZLITU 7 LI(MNIEJ

WI¦CEJ10 9 OGÓLNEJLICZBYJ¡DER).

NAWETNIEWIELKAZMIANAWFIZYCEOPISYWANEJPRZEZ

MODELSTANDARDOWYODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCH

MIAªABYDRAMATYCZNESKUTKIDLANUKLEOSYNTEZY.

GDYBYLICZBARODZAJÓWNEUTRINBYªAINNA,CZYLIRÓ»NA

OD3,LUBGDYBYODDZIAªYWANIASªABEBYªYJESZCZE

SªABSZE(NP.CZ¡STKI W I Z 0 MIAªYWI¦KSZEMASY),TO

ZMIENIªBYSI¦TAK»ESTOSUNEKLICZBYNEUTRONÓWDOLICZBY

PROTONÓW.WARTOTAK»EPODKRE±LI¢,»EPROCESPIERWOTNEJ

NUKLEOSYNTEZYZALE»AªWISTOTNYSPOSÓBODTEGO,

CZYWEWSZECH±WIECIEPODCZASPRODUKCJIPIERWSZYCH

J¡DERATOMOWYCHZNAJDOWAªASI¦ZNACZ¡CALICZBACZ¡STEK

NIEWYST¦PUJ¡CYCHWMODELUSTANDARDOWYM.OBECNO±¢

TAKICHŸINTRUZÓW"ZNACZNIEZMIENIªABYPRZEBIEGCAªEGO

PROCESUIPROWADZIªABYDOPOWSTANIAINNYCHILO±CI

LEKKICHPIERWIASTKÓWNI»WYNIKATOZDANYCH

OBSERWACYJNYCH.DLATEGOPIERWOTNANUKLEOSYNTEZAJEST

WA»NYMTESTEMWZAJEMNEJZGODNO±CISTANDARDOWEGO

MODELUKOSMOLOGICZNEGOITEORIIODDZIAªYWA«

ELEMENTARNYCH.

FAKT,»EOBSERWACJEDOTYCZ¡CEROZPOWSZECHNIENIA

LEKKICHPIERWIASTKÓWZGADZAJ¡SI¦BARDZODOBRZE

ZPRZEWIDYWANIAMITEORETYCZNYMI,JESTWA»NYM,

NIEZALE»NYMODDO±WIADCZE«,WKTÓRYCHCZ¡STKI

ELEMENTARNEZDERZANES¡WAKCELERATORACH,

POTWIERDZENIEM,I»MODELSTANDARDOWYODDZIAªYWA«

ELEMENTARNYCHJESTDOSKONAª¡TEORI¡PRZYENERGIACH

CZ¡STEKNIEPRZEKRACZAJ¡CYCH10 11 EV.NIEMNIEJJEDNAK,

JAKJU»PISALI±MYWPIERWSZYMARTYKULE( DELTA 1/2005),

JESTONAPRAWDOPODOBNIEPRZYBLI»ENIEMJAKIEJ±Gª¦BSZEJ

TEORII,PODOBNIEJAKTEORIAGRAWITACJISFORMUªOWANA

PRZEZNEWTONAJESTBARDZODOBRYMPRZYBLI»ENIEM

OGÓLNEJTEORIIWZGL¦DNO±CIEINSTEINADLANIEZBYTDU»YCH

(WSKALIKOSMICZNEJ)MASIPR¦DKO±CIODDZIAªUJ¡CYCH

OBIEKTÓW.FIZYKAODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHDOSTARCZA

OBECNIEPRZEDEWSZYSTKIMARGUMENTÓWTEORETYCZNYCH

ZAISTNIENIEMTEORIIBARDZIEJPODSTAWOWEJNI»MODEL

STANDARDOWY.JEJPOSZUKIWANIE,OBOKODKRYCIACZ¡STKI

HIGGSA,BYªOGªÓWN¡MOTYWACJ¡DOBUDOWANIANOWEGO

AKCELERATORACZ¡STEKLHCWCERN-IE.ZDRUGIEJSTRONY,

ISTNIEJ¡ZAGADKOWEFAKTYKOSMOLOGICZNEZWI¡ZANE

ZPROCESAMI,KTÓREMIAªYMIEJSCEPRZEDNUKLEOSYNTEZ¡:

BRAKANTYMATERII,ISTNIENIECIEMNEJMATERIIIENERGII

PRÓ»NI,ISTNIENIEBARDZOMAªYCHNIEJEDNORODNO±CIENERGII

WNIEZWYKLEJEDNORODNYMWSZECH±WIECIEIZWI¡ZANA

ZTYMIDEAINACJIMAJ¡CEJMIEJSCEPRZEDPRAWDZIWYM

WIELKIMWYBUCHEM,CZYLICHWIL¡,WKTÓREJWSZECH±WIAT

STAªSI¦GOR¡CY.NIELICZ¡CMASNEUTRIN,ZAGADKITE

S¡OBECNIEGªÓWNYMIARGUMENTAMIEMPIRYCZNYMIZA

ISTNIENIEMBARDZIEJPODSTAWOWEJTEORIIODDZIAªYWA«

ELEMENTARNYCH.COWI¦CEJ,LICZBAIPRECYZJADOST¦PNYCH

DANYCHOBSERWACYJNYCHDOTYCZ¡CYCHTYCHFAKTÓW

KOSMOLOGICZNYCHPOZWALAUZNA¢WCZESNYWSZECH±WIAT

ZADOSKONAªELABORATORIUMDOBADANIAODDZIAªYWA«

ELEMENTARNYCH.

CZYARGUMENTYTEORETYCZNEDOSTARCZANEPRZEZFIZYK¦

ODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHIEMPIRYCZNEARGUMENTY

KOSMOLOGICZNES¡JU»WYSTARCZAJ¡CEDOSFORMUªOWANIA

TEJBARDZIEJPODSTAWOWEJTEORII?NARAZIEJESZCZE

NIE.JAKWSPOMNIELI±MYWPIERWSZYMARTYKULE,

ISTNIEJEZALEDWIE(A»?!)KILKASPÓJNYCHKONCEPCJI

TEORETYCZNYCHROZSZERZENIAMODELUSTANDARDOWEGO,

ZKTÓRYCHNAJCIEKAWSZ¡INAJBARDZIEJELEGANCK¡JESTBEZ

W¡TPIENIAHIPOTEZAISTNIENIADODATKOWEJPRZYBLI»ONEJ

SYMETRIIWPRZYRODZIE,ZWANEJSUPERSYMETRI¡.ZAGADKI

KOSMOLOGICZNENIEFAWORYZUJ¡WPRAWDZIEJEDNOZNACZNIE

SUPERSYMETRIIJAKOWªA±CIWEGOROZSZERZENIAMODELU

STANDARDOWEGO,ALECZ¦STODAJ¡SI¦ªATWIEJROZWI¡ZA¢

WRAMACHTAKIEJTEORII,NAKªADAJ¡CNANI¡JEDNOCZE±NIE

ISTOTNEOGRANICZENIA.

NAJBARDZIEJWYRAZISTYMPRZYKªADEMJESTPRZEWIDYWANE

PRZEZTEORI¦SUPERSYMETRYCZN¡ NEUTRALINO ,NOWAICI¦»KA

CZ¡STKAPOZBAWIONAªADUNKUELEKTRYCZNEGO,SªABO

ODDZIAªUJ¡CAZINNYMICZ¡STKAMI.ZTEGOPOWODU

NEUTRALINABYªYBY±WIETNYMMATERIAªEMNACIEMN¡

MATERI¦.JEDNAK,ABYG¦STO±¢TWORZ¡CYCHCIEMN¡

MATERI¦NEUTRALINBYªARÓWNAG¦STO±CICIEMNEJMATERII

WYZNACZONEJZOBSERWACJIMIKROFALOWEGOPROMIENIOWANIA

TªA,MUSZ¡MIE¢ONE±CI±LEOKRE±LONEWªA±CIWO±CI,KTÓRE

MOG¡BY¢NIEZALE»NIESPRAWDZONEWLHC{JESTTOCZ¦±¢

PROGRAMUBADAWCZEGOTEGOURZ¡DZENIAORAZWIELUINNYCH

EKSPERYMENTÓW.

INN¡KONSEKWENCJ¡SUPERSYMETRIIJESTMO»LIWO±¢

PROSTEGOWYJA±NIENIA,DLACZEGOMOGªAZAJ±¢INACJA

IWSZCZEGÓLNO±CI,DLACZEGOENERGIAPOTENCJALNAPOLA

WYWOªUJ¡CEGOINACJ¦NIEZOSTAªANATYCHMIAST

ZAMIENIONANAENERGI¦KINETYCZN¡,JAKDZIEJESI¦TO

NP.WPRZYPADKUKR¡»KAZNAJDUJ¡CEGOSI¦NARÓWNI

POCHYªEJ.WTEORIACHSUPERSYMETRYCZNYCHENERGIA

POTENCJALNANIEKTÓRYCHPÓLMATZW.KIERUNKIZEROWE

ODPOWIADAJ¡CEWNASZYMPRZYKªADZIERÓWNIOZEROWYM

NACHYLENIU,AJE±LIUWZGL¦DNI¢POPRAWKIKWANTOWE

IEFEKTYZWI¡ZANEZNARUSZENIEMSUPERSYMETRII{

RÓWNIOBARDZOMAªYMNACHYLENIU.WTAKIEJSYTUACJI

ENERGIAPOTENCJALNAKR¡»KABYªABYZAMIENIANANAJEGO

ENERGI¦KINETYCZN¡BARDZOWOLNO.PODOBNYEFEKT

ZACHODZIWPRZYPADKUPOLAPOWODUJ¡CEGOINACJ¦:

WTEORIISUPERSYMETRYCZNEJJEGOENERGIAPOTENCJALNA

POZOSTAWAªABYPRZEZKRÓTKIOKRESCZASUPRAKTYCZNIE

STAªA.TENOKRESTOWªA±NIEOKRESINACJI,WKTÓRYM

NAST¡PIªOZNACZNEIGWAªTOWNEROZSZERZENIESI¦

WSZECH±WIATA.PONIMNAST¡PIªASZYBKAZAMIANA

ENERGIIPOTENCJALNEJNAENERGI¦KINETYCZN¡CZ¡STEK,CZYLI

PODGRZANIEWSZECH±WIATA.

ROZWI¡ZANIEPROBLEMUDOMINACJIMATERIINAD

ANTYMATERI¡TAK»EWYMAGAROZSZERZENIAMODELU

STANDARDOWEGO.PONIEWA»PODCZASINACJIWSZECH±WIAT

PRAKTYCZNIEOPUSTOSZAª,PRZEWAGAMATERIINAD

ANTYMATERI¡MUSIAªAPOWSTA¢POINACJIWWYNIKU

SZCZEGÓLNYCHWªA±CIWO±CIJAKIEGO±RODZAJUODDZIAªYWA«

ELEMENTARNYCH.ODDZIAªYWANIATEPOWINNYODRÓ»NIA¢

CZ¡STKIODANTYCZ¡STEK,NP.PRAWDOPODOBIE«STWO

PRODUKCJICZ¡STEKPOWINNOBY¢WI¦KSZENI»

PRAWDOPODOBIE«STWOPRODUKCJIANTYCZ¡STEK.MUSIAªA

BY¢TAK»ENARUSZONARÓWNOWAGATERMODYNAMICZNA,

GDY»WPRZECIWNYMRAZIEKA»DEMUPROCESOWIPRODUKCJI

CZ¡STKITOWARZYSZYªBYODWROTNYPROCES{ANIHILACJA

CZ¡STKI.

WMODELUSTANDARDOWYMODDZIAªYWANIASILNE

IELEKTROMAGNETYCZNENIEROZRÓ»NIAJ¡CZ¡STEK

IANTYCZ¡STEK.WªASNO±¢T¦MAJ¡JEDYNIEODDZIAªYWANIA

SªABE,COZOSTAªOWYKAZANEDO±WIADCZALNIEPRZEZ

OBSERWACJ¦SAMORZUTNEJZAMIANYMEZONÓW K 0 I B 0 {

PEWNYCHCZ¡STEKZªO»ONYCHZPARKWARK-ANTYKWARK{

WODPOWIADAJ¡CEIMANTYCZ¡STKI.JEDNAKNARUSZENIE

SYMETRIICZ¡STKA-ANTYCZ¡STKAWODDZIAªYWANIACHSªABYCH

JESTBARDZONIEWIELKIEINIEWYSTARCZADOWYJA±NIENIA

OBSERWOWANEJWEWSZECH±WIECIEASYMETRIIPOMI¦DZY

MATERI¡IANTYMATERI¡.NATURALNYM,DODATKOWYM

¹RÓDªEMNARUSZENIASYMETRIIMI¦DZYCZ¡STKAMI

IANTYCZ¡STKAMIMOG¡BY¢ROZPADYCI¦»KICHCZ¡STEK N

{TYCHSAMYCH,KTÓRYCHISTNIENIEWYJA±NIAELEGANCKO

BARDZOMAªEWPORÓWNANIUZINNYMICZ¡STKAMI

WARTO±CIMASYNEUTRIN.NAWCZESNYCHETAPACHHISTORII

WSZECH±WIATACZ¡STKITEPOWINNYBYªYWYPEªNIA¢

PRZESTRZE«KOSMICZN¡NARÓWNIZMATERI¡,ANTYMATERI¡

IFOTONAMI.PRZYOCHªADZANIUSI¦WSZECH±WIATA

RÓWNOWAGATERMODYNAMICZNATYCHCZ¡STEKZOSTAªA

NARUSZONA,TZN.ROZPADAªYSI¦ONE,LECZPRZESTAªY

JU»EFEKTYWNIEZACHODZI¢PROCESYICHPRODUKCJI.OD

STRONYTEORETYCZNEJJESTBARDZOPRAWDOPODOBNE,»E

WWYNIKUROZPADÓWCI¦»KICHPARTNERÓWNEUTRINMO»E

POWSTA¢WI¦CEJANTYLEPTONÓW(ANTYCZ¡STEK)NI»LEPTONÓW

(CZ¡STEK).WWYNIKUDALSZYCHODDZIAªYWA«OPISYWANYCH

PRZEZMODELSTANDARDOWYNADWY»KAANTYLEPTONÓWNAD

LEPTONAMIMO»EPRZEKSZTAªCI¢SI¦NANADWY»K¦KWARKÓW

NADANTYKWARKAMI.WWYNIKUDALSZEGOOCHªADZANIA

SI¦WSZECH±WIATAWSZYSTKIEANTYKWARKIZANIHILOWAªY

ZKWARKAMI,TWORZ¡CFOTONY,NATOMIASTZNADWY»KI

KWARKÓWUTWORZONEZOSTAªYBARIONY:PROTONYINEUTRONY.

OPISANYWY»EJMECHANIZMNOSINAZW¦ BARIOGENEZY

PRZEZLEPTOGENEZ¦ ,CZYLIGENERACJINADWY»KIBARIONÓW

NADANTYBARIONAMIWSKUTEKUPRZEDNIEGOWYTWORZENIA

ASYMETRIIMI¦DZYLEPTONAMIIANTYLEPTONAMI.WPRAWDZIE

SUPERSYMETRIANIEJESTKONIECZNA,ABYTENMECHANIZM

MÓGªZACHODZI¢,ALEJESTONNATURALNYTYLKOWTEORII

SUPERSYMETRYCZNEJZEWZGL¦DUNABARDZODU»¡RÓ»NIC¦

SKALIELEKTROSªABEJISKALIMASCI¦»KICHCZ¡STEK N :

M N =M W ;Z 0 10 12 ,KTÓRA,JAKKOLWIEKMNIEJSZAOD

M P =M W ;Z 0 10 16 ,TAK»EWYMAGAWYJA±NIENIA.

DOSTARCZANARAZIENAJLEPSZYCHEMPIRYCZNYCH

ARGUMENTÓWZAKONIECZNO±CI¡ROZSZERZENIAMODELU

STANDARDOWEGO,NATOMIASTFIZYKAODDZIAªYWA«

ELEMENTARNYCH{ARGUMENTÓWTEORETYCZNYCH

IKONKRETNYCHKONCEPCJITAKIEGOROZSZERZENIA.

KOSMOLOGIANIEWYRÓ»NIAJESZCZEWYRA¹NIE»ADNEJ

ZKONCEPCJITEORETYCZNYCH.KONKRETNEIDEETEORETYCZNE,

POCHODZ¡CEZFIZYKIODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCH,

WYZNACZAJ¡JEDNAKPEWNERAMYROZWI¡ZYWANIAZAGADEK

KOSMOLOGICZNYCHIS¡ZARAZEMOGRANICZANEPRZEZDANE

PªYN¡CEZOBSERWACJIKOSMOSU.ZPUNKTUWIDZENIA

FIZYKIODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHNAJCIEKAWSZ¡

KONCEPCJ¡TEORETYCZN¡ROZSZERZAJ¡C¡MODELSTANDARDOWY

JESTTEORIASUPERSYMETRYCZNA,KTÓRATAK»EUªATWIA

WYJA±NIENIEZAGADEKKOSMOLOGICZNYCH.JEDNAK

OSTATECZNAWERYFIKACJATEJTEORIIB¦DZIEMO»LIWA

DOPIERODZI¦KIAKCELERATOROWILHC.JE±LITEORIA

SUPERSYMETRYCZNAOKA»ESI¦PRAWDZIWA,B¦DZIETO

ZASADNICZYKROKZARÓWNOWKIERUNKUPEªNIEJSZEGO

ZROZUMIENIAPOCHODZENIASKALIELEKTROSªABEJIMAS

ZNANYCHDZI±CZ¡STEK,JAKTE»DOPEªNEGOZROZUMIENIA

WCZESNEJHISTORIIWSZECH±WIATA.

PODSUMOWANIE

NIEMAOBECNIEW¡TPLIWO±CICODOSILNEGOZWI¡ZKU

MI¦DZYFIZYK¡ODDZIAªYWA«ELEMENTARNYCHIKOSMOLOGI¡.

NIEJESTTOJEDNAKWCI¡»ZWI¡ZEKPARTNERSKI.KOSMOLOGIA

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: