디커플링(우주학)

우주론에서 디커플링은 서로 다른 종류의 입자들이 열 평형에서 떨어져 나가는 우주의 발달에 있는 시기를 말한다.이는 우주의 상호 작용 속도가 이 임계 지점까지 감소하고(그리고 평균 자유 경로가 증가함에 따라) 우주의 팽창의 결과로 발생한다.빅뱅 이후 가장 자주 논의되는 디커플링 사례 두 가지는 광자 디커플링과 중성미자 디커플링으로 각각 우주 마이크로파 배경과 우주 중성미자 배경으로 이어졌기 때문이다.

광자 디커플링은 빅뱅(z=1100의 적색변환) 이후 약 37만8000년 만에 우주가 뜨거운 불투명("포기") 플라즈마였던 재결합과 밀접한 관련이 있다.재결합하는 동안 자유 전자는 양성자(수소핵)에 묶여 중성 수소 원자를 형성하게 되었다.수소의 지상 상태(최저 에너지)에 대한 직접적인 재조합은 매우 비효율적이기 때문에 이러한 수소 원자는 일반적으로 높은 에너지 상태에서 전자와 함께 형성되며, 전자는 광자를 방출함으로써 빠르게 낮은 에너지 상태로 전환된다.형성된 중성 수소가 빛에 투명했기 때문에 다른 수소 원자에 의해 포착되지 않은 광자들이 우주 역사상 처음으로 장거리 이동을 할 수 있었다.비록 그것들이 현재 전파로 나타나고, 우주 극초단파 배경("CMB")을 형성하지만 오늘날에도 여전히 감지될 수 있다.그것들은 우주가 어떻게 형성되었는지에 대한 중요한 단서들을 드러낸다.

광자 디커플링

광자 디커플링은 재조합이라고 알려진 시대 동안 발생했다.이 시기에 전자는 양자와 결합하여 수소 원자를 형성하여 자유 전자 밀도가 갑자기 떨어지게 된다. $\Gamma$ pling{\ $displaystyle \Gamma}$ 의 콤프턴 산란 속도가 $우주$ H $H$ 의 확장 속도와 거의 같거나 $\Gamma$ $H$ 광자 $\lambda$ {\ $displaystyle \lambda}$ 의 평균 자유 경로가 un의 수평선 크기와 거의 같을 $\lambda$ 때 디커플링이 갑자기 발생했다.iverse $H^{-1}$ - $H^{-1}$ ${\$ 이 광자가 자유롭게 스트리밍할 수 있게 되면서 우리가 알고 있는 우주의 마이크로파 배경을 만들어 냈고, 우주는 투명해졌다.^[1]

광자의 상호작용 속도는 다음과 같다.

\Gamma ={\frac {c}{\lambda }}}}=n_{e}\sigma _{e}c

여기서 $n_{e}$ $n_{e}$ ${\$ 는 $n_{e}$ 전자수 밀도, $\sigma _{e}$ $\sigma _{e}$ ${\$ 는 $\sigma _{e}$ 전자 단면적, c $c$ 은 $c$ 빛의 속도다.

물질 중심 시대(재조합이 일어나면)에는

H\varpropto a^{-{3/2}

$a$ 서 $a$ 은 $a$ (는) 우주 척도 계수다.Γ{\displaystyle \Gamma}또한{\displaystyle}의 H보다 더 빠른 속도에서 보다 복잡한 기능,{H\displaystyle}고, 그것은 Γ=H{\displaystyle \Gamma =H}해당하는 H{H\displaystyle}과Γ{\displaystyle \Gamma}의 눈금 계수에 대한 정확한 의존성을 일함으로써 .[2]로 감소한다.광자 디커플링이 빅뱅 후 약 38만년 후에 우주가 약 3000K의 온도에 있을 $z=1100$ ^[3] 때 $z=1100$ = $[\displaystyle z=1100}$ 의 적색변환에서 발생했다는 것을 보여줄 수 있다.

중성미자 디커플링

또 다른 예는 빅뱅의 1초 이내에 발생한 중성미자 디커플링이다.^[4]광자의 디커플링과 유사하게 중성미자와 다른 형태의 물질 사이의 약한 상호작용 비율이 우주의 팽창 속도 이하로 떨어졌을 때 중성미자가 분리되어 자유롭게 중성미자를 스트리밍하는 우주 중성미자 배경을 생성하였다.중성미자 디커플링의 중요한 결과는 이 중성미자 배경의 온도가 우주 마이크로파 배경의 온도보다 낮다는 것이다.

WIMP: 비관계적 디커플링

암흑물질 후보인 윔프스에게도 디커플링이 일어났을 수 있다.이것들은 "냉동 유물"이라고 알려져 있는데, 이것은 그들이 비-상대성이 된 후에 분리된다는 것을 의미한다(비교적으로, 광자와 중성미자는 여전히 상대성이 있고 "열정 유물"이라고 알려져 있다.특정 질량의 비상대적 WIMP에 대한 디커플링의 가상 시간 및 온도를 계산하면 이들의 밀도를 찾을 수 있다.^[5]이것을 오늘날 0.222 $\pm$ ± ${\displaystyle \pm$ } 0 $\pm$ .0026의 차가운 암흑물질의 측정된 밀도 파라미터와 비교하면, 합리적인 암흑물질 후보로서 특정 질량의 WIMP를 배제할 수 있다.^[7]

참고 항목

참조

^ Ryden, Barbara Sue (2003). Introduction to cosmology. San Francisco: Addison-Wesley.
^ Kolb, Edward; Turner, Michael (1994). The Early Universe. New York: Westview Press.
^ Hinshaw, G.; Weiland, J. L.; Hill, R. S.; Odegard, N.; Larson, D.; Bennett, C. L.; Dunkley, J.; Gold, B.; Greason, M. R.; Jarosik, N. (1 February 2009). "Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Data Processing, Sky Maps, and Basic Results". The Astrophysical Journal Supplement Series. 180 (2): 225–245. arXiv:0803.0732. Bibcode:2009ApJS..180..225H. doi:10.1088/0067-0049/180/2/225. S2CID 3629998.
^ Longair, M.S. (2008). Galaxy formation (2nd ed.). Berlin: Springer. ISBN 9783540734772.
^ Bringmann, Torsten; Hofmann, Stefan (23 April 2007). "Thermal decoupling of WIMPs from first principles". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2007 (4): 016. arXiv:hep-ph/0612238. Bibcode:2007JCAP...04..016B. doi:10.1088/1475-7516/2007/04/016.
^ Jarosik, N. (4 December 2010). "Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results. Table 8". Astrophysical Journal Supplement Series. 192 (2): 14. arXiv:1001.4744. Bibcode:2011ApJS..192...14J. doi:10.1088/0067-0049/192/2/14. S2CID 46171526.
^ Weinheimer, C. (2011). "Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data". Physical Review Letters. 107 (13): 131302. arXiv:1104.2549. Bibcode:2011PhRvL.107m1302A. doi:10.1103/physrevlett.107.131302. PMID 22026838. S2CID 9685630.

[1] Ryden, Barbara Sue (2003). Introduction to cosmology. San Francisco: Addison-Wesley.

[2] Kolb, Edward; Turner, Michael (1994). The Early Universe. New York: Westview Press.

[3] Hinshaw, G.; Weiland, J. L.; Hill, R. S.; Odegard, N.; Larson, D.; Bennett, C. L.; Dunkley, J.; Gold, B.; Greason, M. R.; Jarosik, N. (1 February 2009). "Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Data Processing, Sky Maps, and Basic Results". The Astrophysical Journal Supplement Series. 180 (2): 225–245. arXiv:0803.0732. Bibcode:2009ApJS..180..225H. doi:10.1088/0067-0049/180/2/225. S2CID 3629998.

[4] Longair, M.S. (2008). Galaxy formation (2nd ed.). Berlin: Springer. ISBN 9783540734772.

[5] Bringmann, Torsten; Hofmann, Stefan (23 April 2007). "Thermal decoupling of WIMPs from first principles". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2007 (4): 016. arXiv:hep-ph/0612238. Bibcode:2007JCAP...04..016B. doi:10.1088/1475-7516/2007/04/016.

[6] Jarosik, N. (4 December 2010). "Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Sky Maps, Systematic Errors, and Basic Results. Table 8". Astrophysical Journal Supplement Series. 192 (2): 14. arXiv:1001.4744. Bibcode:2011ApJS..192...14J. doi:10.1088/0067-0049/192/2/14. S2CID 46171526.

[7] Weinheimer, C. (2011). "Dark Matter Results from 100 Live Days of XENON100 Data". Physical Review Letters. 107 (13): 131302. arXiv:1104.2549. Bibcode:2011PhRvL.107m1302A. doi:10.1103/physrevlett.107.131302. PMID 22026838. S2CID 9685630.

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