¿Cómo era la primera vez que fabricamos protones y neutrones?

La historia de nuestra historia cósmica es una de un universo en expansión y refrescante. A medida que avanzamos de un estado caliente, denso y uniforme a uno frío, disperso y desgreñado, una serie de eventos trascendentales ocurrieron a lo largo de nuestra historia cósmica. En el momento del gran Big Bang, el Universo estaba lleno de todo tipo de partículas de energía ultraalta, antipartículas y cuantos de radiación, moviéndose a la velocidad de la luz o cerca de ella.

Por otro lado, hoy tenemos un Universo lleno de estrellas, galaxias, gas, polvo y muchos otros fenómenos que son demasiado bajos en energía para haber existido en el Universo primitivo. Una vez que las cosas se enfriaron lo suficiente como para que el Higgs le diera masa al Universo, se podría pensar que los protones y los neutrones se formarían de inmediato. Pero no podían existir de inmediato. Aquí está la historia de cómo llegaron a ser.

En el calor del Universo temprano, pero después de que las partículas fundamentales hayan obtenido una masa en reposo, tenemos todas las combinaciones de partículas y antipartículas que son energéticamente posibles de entrar y salir de la existencia. Existen:

  • quarks y antiquarks,
  • leptones y antileptones,
  • neutrinos y antineutrinos,
  • así como los bosones de calibre,

todo lo cual existe mientras haya suficiente energía (mi) para crear estas partículas de masas dadas (metro) a través de Einstein E = mc2. Las partículas obtienen masa solo 100 picosegundos (10-10 s) después de que comienza el Big Bang caliente, pero todavía no hay protones o neutrones.

En cambio, el Universo es tan caliente y denso que lo que tenemos se conoce como plasma de quark-gluon. La razón de esto es contraintuitiva, si las únicas fuerzas con las que está familiarizado son la gravedad y el electromagnetismo. En esos casos, las fuerzas se hacen más fuertes en magnitud cuanto más se acercan dos partículas. Reduzca a la mitad la distancia entre dos cargas eléctricas y la fuerza se cuadruplica entre ellas; reducir a la mitad la distancia entre dos masas y la fuerza podría incluso más que cuadruplicarse, como dicta la Relatividad General.

Pero tome dos quarks, antiquarks o una combinación quark-antiquark, por ejemplo, y reduzca a la mitad la distancia entre ellos, y la fuerza de la fuerza nuclear fuerte que los une hace algo muy diferente. No se cuadruplica. Ni siquiera se duplica. En cambio, la fuerza entre ellos cae.

Esto es extraño, pero así es como funcionan realmente los núcleos atómicos y la fuerza nuclear fuerte. Por debajo de cierta distancia, la fuerza entre dos partículas cualquiera con una carga de color (quarks y gluones) en realidad cae a cero, y solo aumenta a medida que se separan más. A las altas temperaturas y densidades presentes en estos primeros tiempos, la fuerza nuclear es demasiado débil para unir algo. Como resultado, las partículas simplemente giran, chocan entre sí, crean otras nuevas y se aniquilan.

Pero a medida que el Universo se expande, se enfría y se vuelve menos denso. Y a medida que pasa el tiempo, se hace más difícil hacer las partículas más masivas.

Además, con la excepción de los quarks más ligeros (arriba y abajo, más arriba y abajo) y el leptón cargado más ligero (el electrón, más el positrón), todas las demás partículas son inestables a la desintegración radiactiva. A medida que los picosegundos se convierten en nanosegundos, y los nanosegundos se acumulan en microsegundos, las partículas más pesadas dejan de crearse y desaparecen de nuestro Universo. Los quarks de fondo / anti-fondo desaparecen primero, seguidos de los leptones tau y anti-tau. Luego desaparecen los quarks encanto / anti-encanto, seguidos por los quarks extraños / anti-extraños.

A medida que perdemos más y más combinaciones de partículas / antipartículas, crean un mayor número de pares de partículas / antipartículas más ligeras que aún pueden existir, pero también un mayor número de fotones. Cada vez que producimos dos fotones a partir de la aniquilación de partículas / antipartículas, ralentiza un poco el enfriamiento del Universo. El Universo se está volviendo más frío y más escaso, pero también está cambiando lo que hay en él. En las primeras etapas, solo un porcentaje pequeño pero sustancial de las partículas alrededor son fotones, neutrinos y antineutrinos. Pero a medida que estas partículas comienzan a desaparecer, estas fracciones aumentan más y más.

Y a medida que el Universo se enfría aún más, los muones y los antimuones comienzan a decaer, al mismo tiempo que los quarks de arriba y abajo (más los quarks de arriba y abajo) comienzan a separarse de manera sustancial ( femómetro: 10-15 m) distancias. Alrededor de 10 a 20 microsegundos después del Big Bang, alcanzamos una combinación crítica de temperatura / densidad. Ahora nos hemos enfriado a una temperatura de alrededor de 2 billones de K (2 × 1012 K), y ahora los quarks y antiquarks están lo suficientemente separados como para que la fuerza fuerte comience a volverse sustancial.

Al igual que un resorte no estirado no ejerce una fuerza, pero un resorte estirado sí lo hace, los quarks no sienten una fuerza limitante hasta que alcanzan una cierta distancia. Pero una vez que lo hacen, se vuelven atados.

Gradualmente, hacemos la transición: desde quarks libres hacia arriba, hacia abajo, hacia arriba y hacia abajo, hasta protones, neutrones, antiprotones y antineutrones unidos. El Universo todavía está lo suficientemente caliente como para hacer nuevas combinaciones de partículas y antipartículas, y estaba haciendo muchas combinaciones de quark arriba / anti-arriba y abajo / anti-abajo cuando las cosas eran lo suficientemente densas.

Pero ahora que no son lo suficientemente densos, y tenemos protones y neutrones (y antiprotones y antineutrones), el Universo no está lo suficientemente caliente como para crear espontáneamente un nuevo protón / antiprotón o neutrón / antineutrón pares. Lo que esto significa es que cuando los protones y los antiprotones (o neutrones y antineutrones) se encuentran, se aniquilan y no podemos crear otros nuevos.

Lo que sucede, entonces, a medida que el Universo se enfría en esta etapa crítica es lo siguiente:

  • los quarks libres restantes comienzan a experimentar confinamiento, convirtiéndose en protones, neutrones, antiprotones, antineutrones y piones (partículas inestables conocidas como mesones),
  • los mesones se descomponen, mientras que los antiprotones y antineutrones se aniquilan con los protones y neutrones,
  • y esto nos deja solo con protones y neutrones, solo porque en alguna etapa anterior, el Universo creó más materia que antimateria.

Por fin, el Universo comienza a parecerse a algo que reconoceríamos hoy. Claro, hace calor y es denso. Claro, no hay átomos o incluso ningún núcleo atómico. Claro, todavía está lleno de un grupo de positrones (la contraparte de la antimateria de los electrones) y electrones, y todavía los está creando y aniquilando espontáneamente. Pero la mayor parte de lo que existe ahora, tal vez 25 microsegundos después del inicio del gran Big Bang, todavía existe de alguna forma hoy. Los protones y los neutrones se convertirán en los bloques de construcción de los átomos; los neutrinos y antineutrinos y fotones se convertirán en parte del fondo cósmico; los electrones sobrantes que existirán cuando los pares de electrones / positrones se aniquilen se combinarán con los núcleos atómicos para hacer posibles átomos, moléculas y reacciones bioquímicas complejas.

Pero en esta etapa, lo más nuevo que ocurre es que las partículas ya no son individuales y libres en todas las escalas. En cambio, por primera vez, el Universo ha creado un estado estable y unido de múltiples partículas. Un protón es un quark dos arriba y uno abajo, unido por gluones, mientras que un neutrón es un quarks arriba y dos abajo, unidos por gluones. Solo porque creamos más materia que antimateria tenemos un Universo que tiene protones y neutrones sobrantes; solo porque el Higgs dio masa en reposo a las partículas fundamentales obtenemos estos núcleos atómicos unidos.

Debido a la naturaleza de la fuerza fuerte, y la tremenda energía de unión que ocurre en estas interacciones estiradas como un resorte entre los quarks, las masas de protones y neutrones son unas 100 veces más pesadas que los quarks que las componen. El Higgs dio masa al Universo, pero el encierro es lo que nos da el 99% de nuestra masa. Sin protones y neutrones, nuestro Universo nunca sería el mismo.


Lectura adicional sobre cómo era el Universo cuando:


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