Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal Prof.dr. A. Achterberg, IMAPP www.astro.ru.nl/~achterb/ Newtoniaanse Kosmologie College 8: deeltjesfysica en het vroege heelal

Vorig college: Inflatie: quasi-de Sitter fase gedreven door scalair veld; Oplossing voor: - vlakheidsprobleem - horizonprobleem Echter: noodzaak van een “herstart”: de Little Bang

Oplossing Horizonprobleem

Waarom is de Little Bang nodig? Na inflatie: het heelal is leeg en veel te koud tenzij....!

Little Bang: omzetting vacuümenergie

2. Centrale vraag: hoe bepaal je de samenstelling van de “hete oersoep”?

Een pessimistische visie:

NATUURLIJKE FRIEDMANN-VERGELIJKING (post-Inflatie: vlak heelal!) In dimensieloze vorm: g* = statistisch gewicht ~ aantal relativistische deeltjessoorten

Uit quantum statistiek: Bij frequente botsingen heerst thermisch evenwicht en geldt:

Oplossing Friedmann voor g* ~ constant:

Oplossing Friedmann voor g* ~ constant:

Oplossing Friedmann voor g* ~ constant:

Berekening g* in het Standaard Model: Deeltjessoorten # verschillende quantumtoestanden bijdrage aan g* Fotonen: 2 polarizaties 2 Geladen leptonen: 2x(2 spin: + ½, -½) x (3 generaties)1 12x(7/8) Neutrino’s 2x(1 spin)2 x(3 generaties)1 6x(7/8) Quarks: 2x(2 spin) x (3 colors) x (6 flavors)3 72x(7/8) W± & Z0: 3x(3 spin: +1, 0 -1) 9 Gluons 2x(8 color states) 16 Higgs-deeltje 1 Totaal: g*= 106.75 1 3 generaties: electron, muon and tau family; 2 alleen left handed neutrino’s, right handed anti-neutrino’s in SM! 3 smaken: up, down, strange, charm, bottom, top

Evolutie van g* (conversie: 1 MeV ~ 1010 K)

Balansvergelijking voor deeltjesdichtheid n: Expansie van het Heelal Productie in botsingen Destructie in botsingen

Botsingsfrequentie en de vrije weglengte

Simpele dimensie-analyse:

Drie stadia: productie en destructive verlopen Thermisch evenwicht: productie en destructive verlopen veel sneller dan de expansie van het heelal: “ondoorzichtig Heelal” Ontkoppeling: “Bevriezing: productie en destructie zijn verwaarloosbaar: alleen verdunning door de expansie van het Heelal; “doorzichtig Heelal”

In thermisch evenwicht: “Slave to the temperature”

Overlevingskans, massa en temperatuur voor stabiele deeltjes: Op ontkoppelings- moment: Na ontkoppeling:

Thermische geschiedenis van het vroege heelal

VOORBEELD: de neutrino verstrooiingslengte en de doorzichtigheid van het heelal voor neutrino’s Werkzame doorsnede en vrije weglengte van neutrino-verstrooiing door elektronen & positronen:

Stralings-gedomineerd heelal (alles in natuurlijke eenheden) Friedmann: Horizon afstand: Neutrino verstrooiingslengte:

Verhouding neutrino verstrooiingslengte en horizon afstand:

Friedmann (stralings-gedomineerd) + zwakke wisselwerking Evolutie heelal Friedmann (stralings-gedomineerd) + zwakke wisselwerking

Waterstofverbranding (voorwereldlijke nucleosynthese) Neutron verval (τn ~ 12 minuten)

Bij lage temperatuur is deze reactie niet mogelijk! Bij hoge temperatuur wordt deuterium door botsingen vernietigd!

The Deuterium Bottleneck:

Temperatuur [K] Fractie van de totale energiedichtheid ρc2 Schaalfactor R(t) met R0 =1

Einde vroeg heelal: vorming Kosmische Achtergrondstraling Heelal wordt doorzichtig als de ionisatiegraad klein genoeg is: weinig vrije elektronen! Ionisatie-energie waterstof: foton verstrooiingslengte:

Heelal doorzichtig Heelal ondoorzichtig roodverschuiving z: 1000 1500 2000

Daarna: structuurvorming

OPEN VRAGEN: Quantumgravitatie: “oorzaak” van de Big Bang; Details Inflatiemechanisme; Donkere energie in het huidige heelal; De aard van Donkere Materie.

Thank you for your attention! The Big Bang