ハドロン時代

ハドロン時代

ハドロン時代（Hadron epoch）は、宇宙が誕生して間もない極めて初期の段階、特にビッグバンと呼ばれる宇宙開闢の出来事から、およそ100万分の1秒（10⁻⁶秒）が経過した頃から、約1秒後までの短い期間を指します。この時代は、素粒子の種類であるハドロンが、宇宙全体の質量エネルギーの大半を占めていた特徴的な時代として位置づけられます。

時代の始まりとハドロンの形成

ハドロン時代は、それ以前のクォーク時代に比べて宇宙の温度が十分に低下したことで始まりました。クォーク時代には、宇宙は非常に高温高密度のプラズマ状態にあり、クォークやグルーオンといった素粒子が閉じ込められずに自由に飛び回っていました。しかし、宇宙の膨張に伴って温度が下がると、クォークは強い相互作用によって特定の組み合わせで結びつくことができるようになりました。このようにして、陽子や中性子といったバリオン、あるいはパイ中間子のようなメソンといった、様々な種類のハドロンが形成されました。この現象はクォークの閉じ込めとして知られています。ハドロンが宇宙の主要な構成要素となったことで、この時代はハドロン時代と呼ばれるようになりました。

物質と反物質の対生成と対消滅

ハドロン時代の初期、宇宙はまだ非常に高温高密度の状態でした。この高エネルギー環境下では、光子などのエネルギーから物質と反物質のペア（ハドロンと反ハドロンの対）が絶えず生成される一方で、それらが再び衝突してエネルギーに戻る対消滅も活発に起こっており、ハドロンと反ハドロンの間には熱的な平衡状態が成り立っていました。物質と反物質はほぼ同数存在していたと考えられます。

温度低下と物質の残存

しかし、宇宙の膨張は止まることなく続き、それに伴って宇宙の温度はさらに低下していきました。温度が一定の値（約1兆度、約100 GeVのエネルギーに相当）を下回ると、光子などのエネルギーからハドロン・反ハドロン対を生成するのに必要なエネルギーが不足するようになり、対生成のプロセスは次第に停止していきました。

その一方で、既に存在していたハドロンと反ハドロンの衝突による対消滅は継続しました。この対消滅反応の結果、宇宙に存在していたハドロンと反ハドロンの大部分は互いに打ち消し合って消滅し、エネルギーへと変換されました。この過程で、驚くべきことに、ごくわずかな量のハドロンが消滅を免れて残存しました。現在の宇宙が物質（ハドロンを含む陽子や中性子など）で構成されており、反物質がほとんど存在しないのは、この時代の対消滅で物質が反物質よりもわずかに多く（例えば、数十億個の物質に対して数十億-1個の反物質といったごくわずかな差で）残ったためと考えられています。この物質-反物質の非対称性の起源は素粒子物理学の大きな未解決問題の一つですが、ハドロン時代における対消滅が現在の物質優位性を決定づけたことは間違いありません。

時代の終わり

反ハドロンの対消滅がほぼ完了し、宇宙にハドロンとしてごく少量の物質が残されたのは、ビッグバンから約1秒後とされる頃です。この時点で、宇宙における主要な素粒子の種類と質量エネルギーの構成比が大きく変化しました。ハドロンは依然として存在しますが、その数は大幅に減少し、電子やニュートリノといったレプトンが相対的に宇宙のエネルギー密度においてより重要な役割を果たすようになります。これにより、宇宙はレプトン時代と呼ばれる次の時代へと移行していきました。

このハドロン時代は、宇宙の物質成分の基礎が形成された極めて重要な期間であり、その後の宇宙進化の方向性を決定づける上で不可欠な役割を果たしました。現在の宇宙を構成する原子核の元となる陽子や中性子といった粒子が固定され、宇宙の物質・反物質のバランスが決定づけられたのです。

参考文献

Allday, Jonathan (2002). Quarks, Leptons and the Big Bang. Second Edition. ISBN 0-7503-0806-0
Physics 175: Stars and Galaxies - The Big Bang, Matter and Energy; Ithaca College, New York

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