Mitä tapahtui säteilylle?

[Timo Kantola]

Tähtitieteen perusteet vuodelta 1984 - sivulla 514 kertoo hadronien ja leptonien aikajaksosta
heti alkuräjähdyksen jälkeen seuraavaa:

" .. säteilykvanteista syntyi materia- ja antimateriahiukkaspareja (esim protoni-antiprotoni)
Mikäli materiaa ja antimateriaa olisi ollut täsmälleen yhtä paljon, olisivat ne todennäköisest
kokonaan annihiloinneet toisensa säteilyksi. Alunperin materia - ja antimateriahuikkasia on
täytynyt syntyä hiukan eri määrät, materiahiukkasia noin 1.000 000 001 kertaa niin paljon kuin
antihuikkasia. Tämä vähäinen symmetriarikko takasi sen että kun 99.999 9999% aineesta oli annihiloitunut
säteilyksi, jäljelle jäi  0.000 000 1% materiana, joka oli myöhemmin muodostava galakseja ja muita
maailman rakenneosia "

Varsinaiseen kysymykseen:
Einstein sanoo että e=mc^2, (massa on energiaa ja energia on massaa?) ja olen ymmärtänyt että tämä on pätenyt myös
noihin aikoihin kun maailmankaikkeuden hiukkasia rakennettiin? Nyt jos materia- antimateriahiukkaspari
annihiloituu , onko niin että tässä tuhoutumisen tuloksena on hiukkasparin massaa vastaava energian
purkautuminen - koko hiukkasparin yhteenlaskettu massa muuttuu säteilyksi ?
   Vai kuomoaako materia-antimaterian massat jotenkin.. siis nollaa - tai jotain. Eli protoni + antprotonin
yhteenlaskettu massa onkin nolla ? Antiaieen massa jotain "negatiivista" massaa - silloinhan annihiloitumisessa ei
pitäisi vapautua edes säteilyä - olis vaan zap.. ja ei mitään. ( spekuloin tässä ihan muuten vaan kun en oikeesti tiedä)

Jos vastaus ylläoleviin on "kyllä" (paitsi mun spekulaatioihin) , niin sitten päästään varsinaiseen ytimeen:
Maailmankaikkeuden massasta on kerrottu tavallista ainetta olevan 4,6% , pimeää ainetta noin 23% ja loput 72%
on pimeää energiaa. Nyt jos säteily - fotonit - lasketaan tavallisen aineen joukkoon, niin alun
materia- antimateria joukkotuhon jäljiltä jäi säteilyä joka vastaa 99.999 9999% tuosta 4.6% tavallisen
aineen kakusta? Ja tavallista - hypisteltävää stuffia onkin vain 0.000 000 01% maailmankaikkeuden kokonaismassasta?

Tässä tuntee itsensä jotenkin pieneksi .. ja tietämättömäksi.

EDIT: tekstiä lisäilty..

[mistral]

                                 Hyvä kysymys. En ole koskaan kuullut selitystä tähän. Mietin vaan, että jos yksi protoni/antiprotonipari annihiloi
toisensa, niin montako fotonia siitä syntyy ? Kuitenkin moninkertainen määrä. Ja nämä fotonit sitten törmäilevät tässä läpinäkymättö-
mässä  avaruudessa  massallisiin hiukkasiin niin kauan kunnes avaruus tulee läpinäkyväksi?
                     Toinen kysymys on se, että pakenevatko fotonit sen jälkeen tyhjään avaruuteen, vai jäävätkö ne avaruuden 4-ulottei-
suuden johdosta kiertämään ympyrärataa (ppk:n aloittama keskustelu "fotonien eteneminen maailmankaikkeudessa") Olen todella
kyselijän paikalla näissä asioissa.

[Timo Kantola]

                               Ja nämä fotonit sitten törmäilevät tässä läpinäkymättö-
mässä  avaruudessa  massallisiin hiukkasiin niin kauan kunnes avaruus tulee läpinäkyväksi?

Tähtitieteen perusteet vuodelta 1984 - sivulla 514 kertoo hadronien ja leptonien aikajaksosta
heti alkuräjähdyksen jälkeen seuraavaa:
" .. säteilykvanteista syntyi materia- ja antimateriahiukkaspareja (esim protoni-antiprotoni)

Entä jos kyse onkin kierrätyksestä? Fotoni -> hiukkanen/antihuikkanen -> fotoni..
kaikki hiukkaset/antihiukkaset ei syntyneet saman Planckin aikayksikön aikana, aiemmin syntyneet kuolivat ennen kuin myöhemmstä oli tietoakaan - kuolleet oli tulevien hiukkasten rakennusaineita.. jos kierrätys on tarpeeksi hyvin organisoitu, niin koko maailmankaikkeuden massa voidaan kierrättää noin miljardiin kertaan ensimmäisen sekunnin aikana.

[mistral]

                               Varmaankin kierrätystä on tapahtunut. Erilaisia reaktioita tapahtuu eri lämpötiloissa ja eri hiukkasten välillä.
Se, että kuinka suuri osa annihilaatiosta lopulta muuttuu säteilyksi, on arvailua. Mutta varmaa on se, että tämä säteilyenergia on
edelleen olemassa, ja jos se todellakin on 99,999 9999% maailmankaikkeuden materiasta, niin kyllä se on hyvin onnistunut
piiloutumaan.

[Timo Kantola]

Kiitos mistral - olit ainut joka suostui edes pohtimaan..

Jatkan vähän orpona pohdiskelua..
Ehkä kysymyksen avain piilee juuri tuossa aine/antiaine annihiloitumisessa.. Mitä siitä oikeestaan jää jäljelle kun materia kohtaa antimaterian, yhdessä bbc:n dokkarissa (What's wrong with gravity... tjsp.) näytettiin animaationa että reaktio vapauttaa massansa verran energiaa säteilynä. Minkälaista säteilyä vapautuu protonin ja antiprotonin tuhoutumisessa?  Onko fotonilla antifotoni pari?  Vai onko fotoni vähän niin kuin sukupuoleton , sitoutumaton eli puolueeton ja sitä on vaan yhtä sorttia.. ei materia- , eikä antimateriafotoni vaan fotoni?
Olisi antimateriaa kohtaan vähän eppaa jos annihiloitumisessa syntyisi vain fotoneita , jos siis antifotoneita on olemassa ( en tosin ole koskaan kuullutkaan moisista, mutta se ei viellä todista etteikö niitä voisi jossain lymytä )

Toisaalta, eikö juuri hiukkaskiihdyttimissä törmäytetä protoneita ja antiprotoneita, ja siellähän varsin hyvin tunnetaan näiden reaktioiden tuotokset - hyvin massiivisia ja lyhytikäisiä hiukkasia..( mitä muuten tapahtuu kun massiivinen lyhytikäinen hiukkanen tulee elinkaarensa päähän - tuleeko lisää fotoneja ? Pitää varmaan taas kaivaa putkimiehen fysiikka kirja jostain hyllyn pohjalta - siellähän se varmaan lukee)  joo ei toi alun joukkotuho sittenkään taida olla mysteeri, mietityttää vaan se
99.999 9999% siivu kakusta.. Jospa saan siihen vastauksen, kun kiusasin tutkijaa tällä kysymyksellä..:
http://www.avaruus.fi/kysy.html

Toinen teoria:
Olen astunut tieteen popularisijoiden virittämään miinaan - hankalia asioita on yksinkertaistettu liikaa - ja olen vähän pihalla koko asiasta.

[Timo Kantola]

Koitan viellä käytännön esimerkillä:
Otetaan 1 000 000 000 kg  antimateriaa ja kaadetaan se kulhoon jossa on pohjalla jo valmiiksi mitattuna  1 000 000 001 kg tavallista materiaa. Kulho ja kauha lämpenevät voimakkaasti aineita sekoitettaessa, joten niiden on oltava lujaa tekoa. Puolentunnin huolellisen sekoituksen jälkeen meillä on lämpimän kulhon lisäksi pohjalla 1kg tavallista materiaa. Kysymys:  Minne katosi 2 000 000 000 kg ?
( 1 000 000 000 kg materiaa ja 1 000 000 000 kg antimateriaa )

[RJ]

Minkälaista säteilyä vapautuu protonin ja antiprotonin tuhoutumisessa?  Onko fotonilla antifotoni pari?  Vai onko fotoni vähän niin kuin sukupuoleton , sitoutumaton eli puolueeton ja sitä on vaan yhtä sorttia.. ei materia- , eikä antimateriafotoni vaan fotoni?
Olisi antimateriaa kohtaan vähän eppaa jos annihiloitumisessa syntyisi vain fotoneita , jos siis antifotoneita on olemassa ( en tosin ole koskaan kuullutkaan moisista, mutta se ei viellä todista etteikö niitä voisi jossain lymytä )

Fotoni ja antifotoni ovat yksi ja sama, fotoni on itse oma antihiukkasensa. Tyypillisesti annihilaatiossa tuotetaan kaksi fotonia. Pelkästään yhtä ei voida tuottaa säilymislakien takia. Fotonien energia riippuu alkuperäisten hiukkasten massasta ja liike-energiasta. Esim. matalaenergisen elektronin ja positronin kohdatessa syntyy kaksi gammafotonia 511 keV energialla (=elektronin massaenergia). Tätä aallonpituutta käytetään antiaineen etsinnässä maailmankaikkeudesta, ja myös esim. PET-kuvauksessa. Suurilla energioilla annihilaatiossa muodostuu helpommin muitakin hiukkasia kuin fotoneja.

Toisaalta, eikö juuri hiukkaskiihdyttimissä törmäytetä protoneita ja antiprotoneita, ja siellähän varsin hyvin tunnetaan näiden reaktioiden tuotokset - hyvin massiivisia ja lyhytikäisiä hiukkasia..( mitä muuten tapahtuu kun massiivinen lyhytikäinen hiukkanen tulee elinkaarensa päähän - tuleeko lisää fotoneja ?

Riippuu hyvin paljon reaktiosta, ei kaikki välttämättä fotoneiksi päädy.

http://en.wikipedia.org/wiki/Annihilation

[Timo Kantola]

Olen kääntymässä ( lukemani perusteella (mm. Laerence Krauss - Atomi (tosin viellä kesken.. )) siihen , että alun materia/antimaterian joukkotuhonjäljiltä jäi jäljelle (karvan alle 100%) pelkkää säteilyä.

Vähän harhaanjohtavaa puhua että maailmankaikkeuden massasta on  tavallista ainetta 4,6% , pimeää ainetta noin 23% ja loput 72%
on pimeää energiaa. Kun tuo 4.6% "tavallista ainetta" muodostuu 99.999 9999 prosenttisesti säteilystä ja vain 0.000 000 01% on galaksien , tähtien ja muun näkyvän "kiinteän materian" osuus ?

Olisi kiva kuulla Ricken asiantunteva komentti / käsitys , mihin alun  antimateria/materia annihilationin säteily katosi - mitä sille tapahtui?
Vai onko kysymys jotenkin huono?

[kimiza]

mihin alun  antimateria/materia annihilationin säteily katosi - mitä sille tapahtui?

Mutu-tuntumalta sanoisin, että annihilaatioista syntynyt säteily taitaa edelleen jatkaa elämäänsä tässä maailmankaikkeudessa kolmen kelvinin taustasäteilynä.

[mistral]

                                  Tämä menee Timon esittämästä kysymyksestä vähän sivuun, mutta tuon nyt tämänkin mausteeksi mukaan.
Varhaisessa maailmankaikkeudessa fotonien energia oli korkea, esim. röntgen-säteilyä. No, jos röntgen-fotoni pääsee vapaasti, törmää-
mättä muihin hiukkasiin, kulkemaan avaruudessa esim. 14 miljardia valovuotta, niin se ei enää ole röntgen-alueellla, vaan on pudonnut
tähän 3 kelvinin taustasäteilyn tasolle. Tämä aallonpituuden muutos johtuu avaruuden laajenemisesta. Ja nyt kysymys: minne tämän
fotonin energia siirtyy? Mistä se voidaan löytää?

[Timo Kantola]

Mutu-tuntumalta sanoisin, että annihilaatioista syntynyt säteily taitaa edelleen jatkaa elämäänsä tässä maailmankaikkeudessa kolmen kelvinin taustasäteilynä.

Eli onko niin että taustasäteily muodostaa 99.999 9999 prosenttia  maailmankaikkeuden ns. tavallisen aineen (4.6%) kakusta?
(taidan jankuttaa..)

Tämä menee Timon esittämästä kysymyksestä vähän sivuun, mutta tuon nyt tämänkin mausteeksi mukaan.
Varhaisessa maailmankaikkeudessa fotonien energia oli korkea, esim. röntgen-säteilyä. No, jos röntgen-fotoni pääsee vapaasti, törmää-
mättä muihin hiukkasiin, kulkemaan avaruudessa esim. 14 miljardia valovuotta, niin se ei enää ole röntgen-alueellla, vaan on pudonnut
tähän 3 kelvinin taustasäteilyn tasolle. Tämä aallonpituuden muutos johtuu avaruuden laajenemisesta. Ja nyt kysymys: minne tämän
fotonin energia siirtyy? Mistä se voidaan löytää?

Eikö se fotonin energia pysy vakiona, havaitsemme kyseisen fotonin - pakenemalla suurella nopeudella valon lähteestä - jos "pysähtyisimme" ( ajaisimme lähes valon nopeudella kohti säteilyn lähdettä)  - niin eiköhän tuo taustasäteilykin tulisi taas lyhytaaltoisemmaksi. Ja .. avaruuden laajetessa taustasäteilyn energiatiheys harvenee - kait..

[mistral]

                                 Tosiaan, tämä maailmankaikkeuden laajeneminen aiheuttaa tämän näennäisen energian häviämisen.
                   Tuosta 99,99999% vielä. Näen jaon massallisiin ja massattomiin hiukkasiin olennaisena. Tarkoitan, että massalliset ovat
niitä, jotka eivät karkaa "taivaan tuuliin" vaan pysyvät paikallisina. (tarkoitan juuri aineen perusosia elektronia, protonia ja neutronia)
Mutta massallisiin hiukkasiin kuuluu myöskin erityisesti pimeä aine.  Oma lukunsa ovat neutriinot. Niiden massasta ei tietääkseni ole
varmuutta, mutta joka tapauksessa se on pieni. Ehkä neutriinot pitäisi lukea säteilyn puolelle.
                  Kaikenkaikkiaan laskisin tähän 99,99999% fotonit, neutriinot ja mahdollisesti pimeän energian. Mutta, että siitä tulisi
noin suuri prosentti, ihmetyttää vieläkin.

[Timo Kantola]

Mutta massallisiin hiukkasiin kuuluu myöskin erityisesti pimeä aine. 

Pimeä aine on laskettu erityisesti omaksi  23% osaksi maailamkaikkeuden massasta
Tavallinen aine - mihin siis fotonitkin lasketaan ( ja niitä on tavallisesta aineesta tuon 99,99999% ?) - muodostaa 4.6% kokonaismassasta ja loput  72% on pimeää energiaa

[RJ]

Olen kääntymässä ( lukemani perusteella (mm. Laerence Krauss - Atomi (tosin viellä kesken.. )) siihen , että alun materia/antimaterian joukkotuhonjäljiltä jäi jäljelle (karvan alle 100%) pelkkää säteilyä.

Vähän harhaanjohtavaa puhua että maailmankaikkeuden massasta on  tavallista ainetta 4,6% , pimeää ainetta noin 23% ja loput 72%
on pimeää energiaa. Kun tuo 4.6% "tavallista ainetta" muodostuu 99.999 9999 prosenttisesti säteilystä ja vain 0.000 000 01% on galaksien , tähtien ja muun näkyvän "kiinteän materian" osuus ?

Olisi kiva kuulla Ricken asiantunteva komentti / käsitys , mihin alun  antimateria/materia annihilationin säteily katosi - mitä sille tapahtui?
Vai onko kysymys jotenkin huono?

En ole tämän fysiikan alan asiantuntija, mutta jotain muistuu mieleeni kosmologian kursseilta..

Baryonisen aineen osuus 4,6 % tarkoittaa energiatiheyttä, ei lukumäärää. Tuosta luvusta yksi miljoonasosa kuuluu fotoneille. Seuraavassa lyhyt selitys tähän johtaneista tapahtumista (1).

Nykyisen kosmologian standardimallin mukaan maailmankaikkeuden energiatiheys oli säteilyn (fotonien) dominoimaa varhaisten annihilaatioiden jälkeen (2). Eli just niin kuin epäilitkin. Tilanne muuttuu kuitenkin maailmankaikkeuden laajentuessa. Laajenemisessa kaikkialle avaruuteen tulee lisää tilavuutta, joka tarkoittaa käytännössä sitä, että vapaiden hiukkasten väliset etäisyydet kasvavat.

Normaalin baryonisen aineen tiheys laskee verrannollisena universumin pituusskaalan kolmanteen potenssiin, joka on triviaalisti seurausta hiukkasten sijoittumisesta isompaan tilavuuteen. Säteilyn energiatiheys puolestaan laskee verrannollisena neljänteen potenssiin, joka on seurausta tilavuuden kasvusta + punasiirtymästä. Näin ollen materian energiatiheys laskee säteilyä hitaammin, ja materia päätyi jossain vaiheessa dominoivaan asemaan (3). Aineen energiatiheys on arvioitu olevan nykyään ehkä miljoonakertainen verrattuna säteilyyn. Tämä siis vaikka lukumäärällisesti fotoneja onkin paljon enemmän.

1) http://preposterousuniverse.com/grnotes/eight.ps
2) http://en.wikipedia.org/wiki/Radiation-Dominated_Era
3) http://en.wikipedia.org/wiki/Matter-Dominated_Era

edit: Muuten tuo miljaanososa on vain heitto, joka sattui löytymään ykkösviitteestä. Muita lähteitä sille en löytänyt.

[mistral]

                           Mielenkiintoinen tieto oli se, että nykymaailmankaikkeudessa materian energiatiheys olisi ehkä miljoonakertainen
säteilyyn verrattuna. Jotakin tällaista itsekin ajattelin. Jos nyt oikein olen ymmärtänyt, niin tilanne olisi muuttunut alkuasetelmista
miljoonamiljardi kertaisesti