I tempi, le particelle, materia e antimateria dell'Universo dopo il big bang

Dal Big Bang all'universo odierno

(analisi e sequenza dei tempi)

tempo <10-43 s: The Big Bang

Si ritiene che l'universo si sia espanso da un singolo punto con una densità di energia infinitamente alta (temperatura infinita). C'è un significato alla domanda "Che cosa è esistito prima del big bang?"

Era della gravità quantistica (10-43s). t ≈ 10-43 s, 1032 K (1019 GeV, 10-34 m): la gravità "congela" tutti i tipi di particelle (quark, leptoni, bosoni di gauge e particelle non scoperte come ad esempio Higgs, particelle, gravitoni) e le loro anti-particelle sono in equilibrio termico, nel senso che sono creati e annientati a un tasso uguale. Essi coesistono con le radiazioni (fotoni). Attraverso una transizione di fase, la gravità "si congela" e si distingue nella sua azione dalle forze deboli, elettromagnetiche e forti. In questo momento, le altre tre forze non possono essere distinte l'una dall'altra nella loro azione su quark e leptoni. Questo è il primo esempio della rottura della simmetria tra le forze.

Era della grande unificazione (10-35s). L'inflazione cessa, l'espansione continua. La grande unificazione si rompe. Forte ed elettrodebole

Le forze diventano distinguibili. t ≈ 10-35 s, 1027 K (1016 GeV, 10-32 m): Inflazione Il tasso di espansione aumenta esponenzialmente per un breve periodo.  L'universo si raddoppia di dimensioni ogni 10-34 secondi. L'inflazione si ferma intorno ai 10-32 s, quando l'universo è aumentato di dimensioni di un fattore di 1050. Questo è equivalente a un oggetto delle dimensioni di un protone che gonfi a 1019 anni luce!

Si stima che l'intero universo abbia avuto una dimensione di ~ 1023 m alla fine del periodo d’inflazione. L'universo che possiamo vedere oggi, tuttavia, aveva una dimensione di soli 3 metri dopo l'inflazione. Questo risolve i problemi dell’ "orizzonte" (com’è possibile che due parti opposte dell'universo presente siano alla stessa temperatura quando non possono interagire tra loro prima della ricombinazione?) E la "piattezza" (la densità della materia è vicina alla densità critica).

Forze forti si congelano. t ≈ 10-32 s:  Attraverso un'altra fase di transizione la forza forte si "congela" e si sviluppa un leggero eccesso di materia sull'antimateria. Questo eccesso, a un livello di 1 parte su un miliardo, è sufficiente a dare il dominio adesso osservato della materia sull'antimateria. La temperatura è troppo alta perché i quark rimangano raggruppati per formare neutroni o protoni e quindi esistono sotto forma di plasma di quark e gluoni. L' LHC  (Large Hadron Collider) può studiarlo collidendo insieme con nuclei ad alta energia.

Era elettrodebole (10-10 s). La forza elettrodebole si divide. t ≈ 10-10 s, 1015 K (100 GeV, 10-18 m): Forze elettromagnetiche e deboli separate. La densità di energia corrispondono a quella in LEP. Quando la temperatura cala, la forza debole "si congela" e tutte e quattro le forze diventano distinte nelle loro azioni. Gli antiquark si annichilano con i quark,

Collisioni di quark

lasciando un residuo di materia in eccesso. Decadimento dei bosoni W e Z. In generale, le particelle massicce instabili scompaiono quando la temperatura scende a un valore al quale i fotoni della radiazione del corpo nero non hanno energia sufficiente per creare una coppia particella-antiparticella.

Formazione di protoni e neutroni (10-4 s). I quark si combinano per formare protoni e neutroni

 t ≈ 10-4 s, 1013 K (1 GeV, 10-16 m): forma di protoni e neutroni . L'universo è cresciuto fino alle dimensioni del nostro sistema solare. Quando la temperatura cala, l'annientamento di quark-antiquark si ferma e i quark rimanenti si combinano per formare protoni e neutroni.

t = 1 s, 1010K (1 MeV, 10-15 m): disaccoppiamento dei neutrini. I neutrini diventano inattivi (essenzialmente, non partecipano ulteriormente alle interazioni). Gli elettroni e i positroni si annichilano e non sono ricreati. È rimasto un eccesso di elettroni. Il rapporto neutrone-protone si sposta da 50:50 a 25:75.

Nuclei sono formati (100 s). Protoni e neutroni si combinano per formare nuclei di elio.

 t = 3 minuti, 109 K (0,1 MeV, 10-12 m): i nuclei si formano La temperatura è sufficientemente bassa da consentire la formazione dei nuclei. Le condizioni sono simili a quelle che esistono oggi nelle stelle o nelle bombe termonucleari. I nuclei più pesanti come il deuterio, l'elio e il litio assorbono i neutroni presenti. Ogni residuo di neutroni decade con una costante di tempo di ~ 1000 secondi. Il rapporto neutrone-protone è ora 13 :87. La costituzione complessiva dell'universo è ora in atto, consistendo essenzialmente di protoni (75%) e nuclei di elio. La temperatura è ancora troppo alta perché formi qualsiasi atomo. Gli elettroni formano un gas di particelle libere.

Atomi ed era della luce (300 000 anni)

L'universo diventa trasparente e si riempie di luce. t = 300 000 anni, 6000 K (0,5 eV, 10-10 m): gli atomi sono creati Gli elettroni iniziano ad aderire ai nuclei. Sono creati atomi d’idrogeno, elio e litio. Le radiazioni non sono più abbastanza energetiche da distruggere gli atomi. L'universo diventa trasparente. La densità della materia domina. L'astronomia può studiare l'evoluzione dell'Universo fino a questo momento.

Formazione di galassie (1000 milioni di anni)

Le galassie iniziano a formarsi.t = 109 anni, 18 K: Formazione della galassia : Le fluttuazioni locali della densità di massa fungono da semi per la formazione stellare e di galassie.

Il plasma di quark e gluoni

Per qualche milionesimo di secondo dopo il Big Bang, l'universo consisteva in una calda "zuppa" di particelle elementari chiamati quark e gluoni. Qualche microsecondo dopo, queste particelle hanno iniziato a raffreddarsi per formare i protoni ed i neutroni, i mattoni con cui costruire la materia.

Per tutto il passato decennio, i fisici intorno al mondo hanno cercato in tutti i modi di ricreare quella "zuppa", conosciuta come Plasma di Quark e Gluoni,

Collisioni di atomi d'oro

facendo collidere nuclei atomici con abbastanza energia da produrre temperature di trilioni di gradi.

"Se si è interessati nelle proprietà del universo all'età di un microsecondo,- ha spiegato Krishna Rajagopal, fisico teoretico del MIT, che studia il plasma di Quark e Gluoni( QGP: Quark-Gluon Plasma)- il modo migliore per studiarlo non è costruire un telescopio, ma costruire un acceleratore". 
Anche se compongono e costruiscono i protoni e neutroni, i quark ed i gluoni si comportano molto diversamente da queste particelle molto più pesanti. Le loro interazioni sono governate da una teoria conosciuta come la Cromodinamica quantistica, sviluppata in parte dai professori del MIT, Jerome Friedman e Frank Wilczek, che hanno entrambi vinto il Nobel per il loro lavoro. Comunque, l'effettivo comportamento dei quark e dei gluoni è difficile da studiare perché sono confinati all'interno di particelle più pesanti. L'unico luogo nell'universo dove esistono gli QGP è dentro gli acceleratori ad alta velocità, per durate cortissime di tempo.

Nel 2005, alcuni scienziati al RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) al Laboratorio Nazionale di Brookhaven, hanno detto di aver creato QGP facendo collidere atomi d'oro a quasi la velocità della luce. Queste collisioni possono produrre temperature fino a 4 trilioni di gradi Celsius, 250.000 volte più calde dell'interiore del Sole, e abbastanza caldo da sciogliere i protoni e neutroni in quark e gluoni. 

La "zuppa" super calda e super densa di materia, grande circa un trilionesimo di centimetro in diametro, potrebbe offrire agli scienziati nuove informazioni sulle proprietà del giovane universo. Finora sono già riusciti a fare la sorprendente scoperta che il plasma di Quark e Gluoni è un liquido quasi privo di attrito, e non il gas che i fisici si aspettavano. 
Continuando con ulteriori collisioni ad altissima energia, gli scienziati sperano di scoprire di più riguardo alle proprietà del QGP, e se diventa gas a temperature più alte. Vogliono inoltre indagare ulteriormente riguardo alle sorprendenti similitudini osservate tra QGP e gas ultra-freddi(a quasi lo zero assoluto), nelle collisioni ottenute nel loro laboratorio da Martin Zwierlein del MIT e suoi colleghi.

"Entrambe le sostanza sono quasi prive di attrito, -ha dichiarato Rajagopal - ed i fisici teorici sospettano che la teoria delle stringhe potrebbe spiegare entrambi i fenomeni" .