same bariony. Może nie są najliczniejsze i nie mają siły przebicia, ale są to pierwotne elementy składowe widzialnej materii i właśnie zaczynają ze sobą współpracować.
PIERWOTNA NUKLEOSYNTEZA
Mniej więcej 100 sekund po Wielkim Wybuchu temperatura Wszechświata spadła do poziomu nieco poniżej miliarda kelwinów (109 K). Oddziaływania słabe, odpowiedzialne za narzucanie równowagi między liczbą protonów i neutronów we Wszechświecie, całkowicie wygasły, „zamrażając” proporcję tych cząstek. Neutron jest jednak z natury cząstką niestabilną. Jeden z dwóch wchodzących w jego skład kwarków dolnych podatny jest na oddziaływanie, które zmienia go w kwark górny, przekształcając tym samym neutron w proton. Innymi słowy, swobodne neutrony są promieniotwórcze.
Czas połowicznego rozpadu swobodnego neutronu wynosi około 610 sekund (nieco ponad 10 minut), co znaczy, że spodziewamy się, iż w tym przedziale czasu połowa z początkowej liczby neutronów ulegnie rozpadowi na protony (albo, przy zastosowaniu alternatywnej interpretacji, prawdopodobieństwo tego, że rozpadowi ulegnie każdy neutron, wynosi 50 procent)38. Wszechświat nie istnieje jeszcze na tyle długo, ale neutrony pojawiły się w nim na początku ery hadronowej, w jednej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu, tak więc w czasie, który upłynął, ich liczba pomniejszyła się o dalsze 25 procent. Skutkuje to podwyższeniem przewagi protonów nad neutronami: na każdy neutron przypada siedem protonów.
Czasami protony i neutrony łącznie określa się mianem „nukleony”, które oznacza, że cząstki te tworzą jądra atomów. W tej temperaturze zachodzące między protonami i neutronami reakcje jądrowe zaczynają prowadzić do wytworzenia cięższych kombinacji nukleonów. Cząstki te flirtowały ze sobą już wcześniej, wchodząc w związki, które natychmiast ulegały rozbiciu. Teraz łączą się i trwają w związkach dostatecznie długo, aby angażować się w dalsze reakcje. Jest to sygnał, że rozpoczęło się coś, co nazywamy pierwotną nukleosyntezą.
Najważniejsze reakcje jądrowe przedstawione są na rysunku I na wkładce. Czerwona kulka symbolizuje proton, niebieska neutron. Ponieważ proton jest jednocześnie jądrem atomu wodoru, oznaczyłem go jako 1H, gdzie H jest chemicznym symbolem wodoru, natomiast stojący po lewej stronie indeks 1 oznacza, że atom wodoru zawiera tylko jeden nukleon, którym jest, w tym wypadku, proton. Choć nie pokazuję tego, nie zapominajmy, że jądro atomu wodoru niesie jeszcze dodatni ładunek elektryczny (1H+).
Początkiem nukleosyntezy jest reakcja zachodząca między pojedynczym protonem i pojedynczym neutronem. Proton wychwytuje neutron i zmienia się w 2H. Wciąż jest to jądro atomu wodoru, ponieważ chemicznym identyfikatorem pierwiastka jest liczba zawartych w atomie protonów, a proton nadal jest tylko jeden. Ten „ciężki” izotop wodoru nosi nazwę deuter.
Proton i neutron w jądrze deuteru są dość szczęśliwe w tym związku – energia połączonych cząstek jest mniejsza niż suma energii wolnego protonu i wolnego neutronu o wielkość nazywaną energią wiązania. Tę nadmiarową energię unosi emitowany z jądra 2H foton (nieprzedstawiony na rysunku I na wkładce).
W tym miejscu rodzi się pytanie. Jakaż to siła spaja proton i neutron w jądrze deuteru? Zdarza się słyszeć odpowiedź: oczywiście, oddziaływanie silne! Ale teraz wiemy już, że oddziaływanie silne (kolorowe) spaja kwarki wewnątrz protonu i neutronu. W takim razie, co się tutaj dzieje?
Są przynajmniej dwa sposoby myślenia o tej sytuacji. Możemy sobie wyobrażać, że siła wiążąca proton i neutron bierze się ze swego rodzaju „przeciekania” siły oddziałującej na kolory kwarków poza granice każdego pojedynczego nukleonu. Wartość tej siły nie jest może tak duża jak samego oddziaływania silnego, jednak wystarczająca, aby zespalać nukleony.
Alternatywny sposób stanowi odwołanie do nowej, pochodnej siły, albo siły drugorzędnej (czyli takiej, która nie jest związana z oddziaływaniem „podstawowym”), która działa między protonem i neutronem, a także, o czym przekonamy się wkrótce, pomiędzy dwoma protonami – przezwyciężając elektrostatyczne odpychanie dwóch jednakowych ładunków elektrycznych – oraz dwoma neutronami. Z definicji z taką pochodną albo drugorzędną siłą muszą być związane przenoszące ją cząstki. Są nimi, w tym wypadku, piony: π+, π– oraz obojętny π0. Jeśli proton (który, jak pamiętamy, składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, uud) i neutron (udd) wymienią dodatnio naładowane i ujemnie naładowane piony (zbudowane z kwarków górnego-antydolnego oraz dolnego-antygórnego), proton przekształca się w neutron, a neutron w proton. Jeśli patrzymy z zewnątrz, nic się nie zmienia, jednak wymiana pionów pozwala zmniejszyć energię połączenia, zespala więc cząstki.
Jeden rzut oka na szczyt rysunku I na wkładce mówi nam, że nie jest możliwe budowanie cięższych jąder z pominięciem etapu, na którym powstaje jądro deuteru. Oznacza to, że szybkość albo tempo, z jakim zachodzi ta pierwsza reakcja, będzie w znacznym stopniu determinować tempo dla całego łańcucha późniejszych reakcji. Efekt ten znany jest jako deuterowe wąskie gardło. Kiedy już powstanie odpowiednia liczba jąder deuteru, to, co stanie się później, zwyczajnie będzie zależało od względnej częstotliwości reakcji jądrowych, które zachodzą na kolejnych etapach.
Zawsze w tym miejscu przypomina mi się pewna lekcja matematyki z początków mojej szkolnej kariery. Ucząc nas rachunku różniczkowego, dawano nam do rozwiązania zagadnienia wymagające rozwiązania równań różniczkowych, opisujących zjawiska zachodzące w różnym tempie. Zawsze zdawały się przypominać sytuację, w której napełniamy wodą wannę, a zapomnieliśmy zatkać korkiem odpływ39. Woda wlewa się do wanny w jednym tempie, wypływa przez otwór odpływowy w drugim. Pytanie brzmiało, jak długo wanna będzie się napełniać.
Rozwiązanie równania różniczkowego dla pierwotnej nukleosyntezy nie jest niczym innym, jest tylko bardziej skomplikowane. Rysunek I na wkładce ukazuje szesnaście różnych reakcji jądrowych. Zupełnie jak w moim szkolnym zadaniu matematycznym: woda przelewa się z jednej wanny do drugiej, po czym przelewa się w innym tempie do następnej i tak dalej, aż jej strużki dotrą do samego dna łańcucha.
Celem rozwiązania równania zmuszeni jesteśmy dokonać pomiaru tempa wszystkich należących do łańcucha różnych reakcji jądrowych. Otrzymany wynik zależy od tempa tych reakcji i warunków początkowych, które panowały w chwili, gdy nukleosynteza miała swój początek, charakteryzowanych przez temperaturę, stosunek fotonów do barionów oraz stosunek protonów do neutronów.
Dzisiaj wszystkie te dane są dostępne dzięki badaniom nad reakcjami jądrowymi i obserwacjom Wszechświata (o tych drugich opowiemy więcej już wkrótce). Znamy też temperaturę, która musiałaby być na tyle niska, aby jądra deuteru mogły się utworzyć w ilości dostatecznej do pokonania deuterowego wąskiego gardła.
Kontynuujmy zatem naszą opowieść. Jądro deuteru (2H) może brać udział w dalszych reakcjach, wychwytując następny neutron, przekształca się w jądro trytu (3H) – kolejnego, jeszcze cięższego izotopu wodoru – i emituje foton (również nieprzedstawiony na rysunku I na wkładce). Może też wejść w reakcję z innym jądrem deuteru, co prowadzi do powstania jądra trytu i wolnego protonu, albo w reakcji z neutronem lub innym jądrem deuteru utworzyć 3He, zawierający dwa protony i neutron, niestabilny izotop helu.
Podobnie jak wolny neutron, jądro 3H wrażliwe jest na oddziaływania słabe. Neutron znajdujący się we wnętrzu jądra 3H (zawierającego jeden proton i dwa neutrony) może przekształcić się w proton, co prowadzi do przemiany jądra w jądro helu 3He (dwa protony, jeden neutron). Na rysunku I na wkładce pokazane to jest jako reakcja „rozpadu beta”, ponieważ jest to proces występujący w promieniotwórczości beta.
Rozumiecie sytuację. Oba jądra, 3H i 3He, mogą przejść szereg różnych reakcji, w wyniku których powstanie 4He, jądro najpowszechniejszego izotopu helu.