Oddziaływania elementarne
i wczesny Wszechświat
Stefan POKORSKI, Krzysztof TURZYC
SKI
Oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne, w pełni zrozumiane w ramach
Modelu Standardowego, sÄ… odpowiedzialne za nukleosyntezÄ™ i tworzenie siÄ™
neutralnych atomów. Standardowy Model Kosmologiczny razem z Modelem
Standardowym oddziaływań elementarnych daje w pełni zgodny z obserwacjami
opis historii Wszechświata, począwszy od pierwszej sekundy po Wielkim
Wybuchu. W tym momencie temperatura Wszechświata wynosiła około
10 miliardów kelwinów i wciąż panowała równowaga termodynamiczna
między elektronami, neutrinami, fotonami, protonami, neutronami i jądrami
atomowymi, przy czym, zgodnie z rozkładem statystycznym, tych ostatnich
było znikomo mało z uwagi na ich dużą masę. Wraz z dalszym obniżaniem
się temperatury Wszechświata podstawowe procesy zapewniające równowagę
termodynamiczną między protonami, neutronami i innymi cząstkami 
tj. przemiany ², czyli np. proces p + e "! n + ½  zaczęły przebiegać zbyt wolno
w porównaniu z tempem rozszerzania się Wszechświata. Neutrony przestały
więc być w równowadze termodynamicznej z resztą cząstek. Oznaczmy przez Tn
temperaturę, przy której to nastąpiło. Stosunek gęstości neutronów do gęstości
protonów (decydujący w ostatecznym rozrachunku o liczbie jąder atomowych)
przestał zmniejszać się wraz ze spadkiem temperatury otoczenia i ustalił się
na poziomie przewidywanym przez rozkład statystyczny dla temperatury Tn.
Ponieważ neutrony są nieco cięższe od protonów, stosunek liczby neutronów
do liczby protonów zależał w istotny sposób od temperatury Tn, a ta zaś od
liczby rodzajów neutrin i siły oddziaływań słabych (w Standardowym Modelu
Kosmologicznym ten stosunek wynosi okoÅ‚o 1/6). Nieodwracalne już rozpady ²,
przekształcające neutrony w protony, elektrony i neutrina, spowodowały
następnie dalszy spadek liczby neutronów oraz wzrost liczby protonów (stosunek
liczb tych cząstek spadł do obecnej wartości 1/7).
Drugi etap nukleosyntezy polegał na łączeniu protonów i neutronów w
jądra atomowe. Początkowo proces ten przebiegał w sposób odwracalny,
gdyż znajdujące się we Wszechświecie fotony miały wciąż energie na ogół
wystarczajÄ…ce do rozbijania nowo powstajÄ…cych jÄ…der. Dopiero w miarÄ™ spadku
temperatury Wszechświata energie fotonów zmniejszyły się na tyle, że jądra
atomowe nie ulegały już rozbiciu  moment ten zależał od siły wiązania
protonów i neutronów w jądra, czyli od właściwości oddziaływań silnych.
W rezultacie prawie wszystkie neutrony zostały związane w jądra izotopu helu
4
He (zwane inaczej czÄ…stkami Ä…), zawierajÄ…ce dwa protony i dwa neutrony.
4
Można stąd obliczyć, że wytworzone w ten sposób jądra He stanowiły 25%
pierwotnej materii barionowej. Oprócz tego powstały niewielkie domieszki
3 2
jąder helu He, deuteru H (mniej więcej 0,001% 0,1% ogólnej liczby jąder
7
w zależności od początkowej liczby protonów i neutronów) oraz litu Li (mniej
więcej 10-9 ogólnej liczby jąder).
Nawet niewielka zmiana w fizyce opisywanej przez procesu i prowadziłaby do powstania innych ilości
Model Standardowy oddziaływań elementarnych lekkich pierwiastków niż wynika to z danych
miałaby dramatyczne skutki dla nukleosyntezy. obserwacyjnych. Dlatego pierwotna nukleosynteza jest
Gdyby liczba rodzajów neutrin była inna, czyli różna ważnym testem wzajemnej zgodności Standardowego
od 3, lub gdyby oddziaływania słabe były jeszcze Modelu Kosmologicznego i teorii oddziaływań
Ä…
słabsze (np. cząstki W i Z0 miały większe masy), to elementarnych.
zmieniłby się także stosunek liczby neutronów do liczby
protonów. Warto także podkreślić, że proces pierwotnej Fakt, że obserwacje dotyczące rozpowszechnienia
nukleosyntezy zależał w istotny sposób od tego, lekkich pierwiastków zgadzają się bardzo dobrze
czy we Wszechświecie podczas produkcji pierwszych z przewidywaniami teoretycznymi, jest ważnym,
jąder atomowych znajdowała się znacząca liczba cząstek niezależnym od doświadczeń, w których cząstki
niewystępujących w Modelu Standardowym. Obecność elementarne zderzane są w akceleratorach,
takich  intruzów znacznie zmieniłaby przebieg całego potwierdzeniem, iż Model Standardowy oddziaływań
1
elementarnych jest doskonałą teorią przy energiach wywołującego inflację nie została natychmiast
czÄ…stek nieprzekraczajÄ…cych 1011 eV. Niemniej jednak, zamieniona na energiÄ™ kinetycznÄ…, jak dzieje siÄ™ to
jak już pisaliśmy w pierwszym artykule (Delta 1/2005), np. w przypadku krążka znajdującego się na równi
jest ona prawdopodobnie przybliżeniem jakiejś głębszej pochyłej. W teoriach supersymetrycznych energia
teorii, podobnie jak teoria grawitacji sformułowana potencjalna niektórych pól ma tzw. kierunki zerowe
przez Newtona jest bardzo dobrym przybliżeniem odpowiadające w naszym przykładzie równi o zerowym
ogólnej teorii względności Einsteina dla niezbyt dużych nachyleniu, a jeśli uwzględnić poprawki kwantowe
(w skali kosmicznej) mas i prędkości oddziałujących i efekty związane z naruszeniem supersymetrii 
obiektów. Fizyka oddziaływań elementarnych dostarcza
równi o bardzo małym nachyleniu. W takiej sytuacji
obecnie przede wszystkim argumentów teoretycznych
energia potencjalna krążka byłaby zamieniana na jego
za istnieniem teorii bardziej podstawowej niż Model
energiÄ™ kinetycznÄ… bardzo wolno. Podobny efekt
Standardowy. Jej poszukiwanie, obok odkrycia czÄ…stki
zachodzi w przypadku pola powodujÄ…cego inflacjÄ™:
Higgsa, było główną motywacją do budowania nowego
w teorii supersymetrycznej jego energia potencjalna
akceleratora czÄ…stek LHC w CERN-ie. Z drugiej strony,
pozostawałaby przez krótki okres czasu praktycznie
istniejÄ… zagadkowe fakty kosmologiczne zwiÄ…zane
stała. Ten okres to właśnie okres inflacji, w którym
z procesami, które miały miejsce przed nukleosyntezą:
nastąpiło znaczne i gwałtowne rozszerzenie się
brak antymaterii, istnienie ciemnej materii i energii
Wszechświata. Po nim nastąpiła szybka zamiana
próżni, istnienie bardzo małych niejednorodności energii
energii potencjalnej na energiÄ™ kinetycznÄ… czÄ…stek, czyli
w niezwykle jednorodnym Wszechświecie i związana
podgrzanie Wszechświata.
z tym idea inflacji majÄ…cej miejsce przed prawdziwym
RozwiÄ…zanie problemu dominacji materii nad
Wielkim Wybuchem, czyli chwilą, w której Wszechświat
antymaterią także wymaga rozszerzenia Modelu
stał się gorący. Nie licząc mas neutrin, zagadki te
Standardowego. Ponieważ podczas inflacji Wszechświat
są obecnie głównymi argumentami empirycznymi za
praktycznie opustoszał, przewaga materii nad
istnieniem bardziej podstawowej teorii oddziaływań
antymaterią musiała powstać po inflacji w wyniku
elementarnych. Co więcej, liczba i precyzja dostępnych
szczególnych właściwości jakiegoś rodzaju oddziaływań
danych obserwacyjnych dotyczących tych faktów
elementarnych. Oddziaływania te powinny odróżniać
kosmologicznych pozwala uznać wczesny Wszechświat
cząstki od antycząstek, np. prawdopodobieństwo
za doskonałe laboratorium do badania oddziaływań
produkcji cząstek powinno być większe niż
elementarnych.
prawdopodobieństwo produkcji antycząstek. Musiała
Czy argumenty teoretyczne dostarczane przez fizykÄ™
być także naruszona równowaga termodynamiczna,
oddziaływań elementarnych i empiryczne argumenty
gdyż w przeciwnym razie każdemu procesowi produkcji
kosmologiczne są już wystarczające do sformułowania
cząstki towarzyszyłby odwrotny proces  anihilacja
tej bardziej podstawowej teorii? Na razie jeszcze
czÄ…stki.
nie. Jak wspomnieliśmy w pierwszym artykule,
W Modelu Standardowym oddziaływania silne
istnieje zaledwie (aż?!) kilka spójnych koncepcji
i elektromagnetyczne nie rozróżniają cząstek
teoretycznych rozszerzenia Modelu Standardowego,
i antycząstek. Własność tę mają jedynie oddziaływania
z których najciekawszą i najbardziej elegancką jest bez
słabe, co zostało wykazane doświadczalnie przez
wątpienia hipoteza istnienia dodatkowej przybliżonej
obserwację samorzutnej zamiany mezonów K0 i B0 
symetrii w przyrodzie, zwanej supersymetriÄ…. Zagadki
pewnych cząstek złożonych z par kwark-antykwark 
kosmologiczne nie faworyzujÄ… wprawdzie jednoznacznie
w odpowiadajÄ…ce im antyczÄ…stki. Jednak naruszenie
supersymetrii jako właściwego rozszerzenia Modelu
symetrii cząstka-antycząstka w oddziaływaniach słabych
Standardowego, ale często dają się łatwiej rozwiązać
jest bardzo niewielkie i nie wystarcza do wyjaśnienia
w ramach takiej teorii, nakładając na nią jednocześnie
obserwowanej we Wszechświecie asymetrii pomiędzy
istotne ograniczenia.
materiÄ… i antymateriÄ…. Naturalnym, dodatkowym
Najbardziej wyrazistym przykładem jest przewidywane
z
ródłem naruszenia symetrii między cząstkami
przez teorię supersymetryczną neutralino, nowa i ciężka
i antycząstkami mogą być rozpady ciężkich cząstek N
cząstka pozbawiona ładunku elektrycznego, słabo
 tych samych, których istnienie wyjaśnia elegancko
oddziałująca z innymi cząstkami. Z tego powodu
bardzo małe w porównaniu z innymi cząstkami
neutralina byłyby świetnym materiałem na ciemną
wartości masy neutrin. Na wczesnych etapach historii
materię. Jednak, aby gęstość tworzących ciemną
Wszechświata cząstki te powinny były wypełniać
materię neutralin była równa gęstości ciemnej materii
przestrzeń kosmiczną na równi z materią, antymaterią
wyznaczonej z obserwacji mikrofalowego promieniowania
i fotonami. Przy ochładzaniu się Wszechświata
tła, muszą mieć one ściśle określone właściwości, które
równowaga termodynamiczna tych cząstek została
mogą być niezależnie sprawdzone w LHC  jest to część
naruszona, tzn. rozpadały się one, lecz przestały
programu badawczego tego urzÄ…dzenia oraz wielu innych
już efektywnie zachodzić procesy ich produkcji. Od
eksperymentów.
strony teoretycznej jest bardzo prawdopodobne, że
Inną konsekwencją supersymetrii jest możliwość w wyniku rozpadów ciężkich partnerów neutrin może
prostego wyjaśnienia, dlaczego mogła zajść inflacja powstać więcej antyleptonów (antycząstek) niż leptonów
i w szczególności, dlaczego energia potencjalna pola (cząstek). W wyniku dalszych oddziaływań opisywanych
2
przez Model Standardowy nadwyżka antyleptonów nad dostarcza na razie najlepszych empirycznych
leptonami może przekształcić się na nadwyżkę kwarków argumentów za koniecznością rozszerzenia Modelu
nad antykwarkami. W wyniku dalszego ochładzania Standardowego, natomiast fizyka oddziaływań
się Wszechświata wszystkie antykwarki zanihilowały elementarnych  argumentów teoretycznych
z kwarkami, tworząc fotony, natomiast z nadwyżki i konkretnych koncepcji takiego rozszerzenia.
kwarków utworzone zostały bariony: protony i neutrony. Kosmologia nie wyróżnia jeszcze wyraz
nie żadnej
Opisany wyżej mechanizm nosi nazwę bariogenezy z koncepcji teoretycznych. Konkretne idee teoretyczne,
przez leptogenezę, czyli generacji nadwyżki barionów pochodzące z fizyki oddziaływań elementarnych,
nad antybarionami wskutek uprzedniego wytworzenia wyznaczajÄ… jednak pewne ramy rozwiÄ…zywania zagadek
asymetrii między leptonami i antyleptonami. Wprawdzie kosmologicznych i są zarazem ograniczane przez dane
supersymetria nie jest konieczna, aby ten mechanizm płynące z obserwacji kosmosu. Z punktu widzenia
mógł zachodzić, ale jest on naturalny tylko w teorii fizyki oddziaływań elementarnych najciekawszą
supersymetrycznej ze względu na bardzo dużą różnicę koncepcją teoretyczną rozszerzającą Model Standardowy
skali elektrosłabej i skali mas ciężkich cząstek N: jest teoria supersymetryczna, która także ułatwia
MN/MW ą <" 1012, która, jakkolwiek mniejsza od wyjaśnienie zagadek kosmologicznych. Jednak
,Z0
MP /MW ą <" 1016, także wymaga wyjaśnienia. ostateczna weryfikacja tej teorii będzie możliwa
,Z0
dopiero dzięki akceleratorowi LHC. Jeśli teoria
supersymetryczna okaże się prawdziwa, będzie to
Podsumowanie
zasadniczy krok zarówno w kierunku pełniejszego
Nie ma obecnie wątpliwości co do silnego związku zrozumienia pochodzenia skali elektrosłabej i mas
między fizyką oddziaływań elementarnych i kosmologią. znanych dziś cząstek, jak też do pełnego zrozumienia
Nie jest to jednak wciąż związek partnerski. Kosmologia wczesnej historii Wszechświata.
3