우주 대통일 시대, 쿼크 시대, 강입자 시대

대통일 시대

우주가 팽창하기 시작하면서 냉각이 되고 상호 힘이 분리되는 전이 온도를 넘어서는 것이 대통일 시대를 말한다. 상전이는 일반 물질의 응축과 동결과 유사하게 시각적으로 구현된다. 일부 특정한 온도와 에너지 사이에 물 분자는 그 행동과 구조를 완전히 바꾸고 다르게 행동하게 한다. 증기가 물로 바뀌는 것과 같이 우리 우주의 기본적인 힘과 입자를 규정하는 온도 및 에너지가 특정한 지점 아래로 낙하하면 그 행동과 구조를 온전히 바꾸는 것이다. 이는 우리가 현재 우주에서 일반적으로 보이는 부분보다 아주 높은 온도에서만 발생이 되기에 일상생활에서는 분명하지 않다. 우주의 기본 적인 네 가지 힘에서 상전이는 일명 대칭 깨짐이라고 호칭하고 있는 양자장 현상에 의해 발생하는 것으로 알고 있다. 일상적으로 우주의 냉각에 의해 우리 주변 힘과 입자를 양성하는 양자의 장이 아주 낮은 에너지의 수준과 더욱 높은 수준의 안정성으로서 정착하는 것 또한 가능해진다. 그렇게 됨으로 그들은 상호 작용의 방식이 완전히 바뀌는 것이다. 힘과 상호 작용은 이러한 장으로서 발생하기에 우주는 상전이의 아래와 위에 매우 다르게 행동이 가능하다. 예를 들면 후기 시대의 한 상전이의 부작용은 질량이 없는 대다수의 입자들이 갑작스레 질량을 얻게 되며 단일한 힘이 두 개의 분리된 힘으로서 등장했다는 것이다. 이를 대통일 시대라고 한다.

쿼크 시대

쿼크 시대란 대폭발이 발생된 직후 시작이 됐다. 이는 전기약 대칭 깨짐 직후 초기 우주로서 중력과 전자기력 그리고 강력 및 약력등의 네가지 힘에 상호작용이 현재의 형태를 취하고 있지만 우주의 온도가 여전히 쿼크가 상호 결합되어 강입자를 형성하도록 허용하기에 높았다. 이 시대에는 쿼크와 경입자 및 반입자 등을 포함하는 조밀하고 뜨거운 쿼크글루온플라스마로 채워지게 된다. 입자 간 충돌은 너무 강력했기 때문에 쿼크가 중간자 또는 중입자로서 결합하도록 허용할 수 없었다. 쿼크시대는 입자 간 상호작용의 평균 에너지가 가장 가벼운 강입자인 파이온의 질량 이하로 떨어졌을 때 우주의 나이가 약 10의 마이너스 5승 초가 되었을 때였다. 한편, 중입자는 3개의 쿼크로 구성된 양성자 및 중성자와 같은 아원자 입자이다. 중입자워 반중입자로 알려진 입자는 모두가 같은 수로 형성됐을 것으로 예측했다. 하지만 이는 일어난 것 같지 않으며 우리가 아는 한 우주에는 반중입자들보다 많은 수의 중입자가 남아 있었다고 한다. 사실 자연에서는 반중입자는 관찰되지 않는다. 이는 어떻게 발생했는지 분명하지가 않다. 이 현상에 관해 설명은 중입자 생성과 관련된 사하로프 조건이 우주 급팽창이 끝난 직후 충족되었다는 것을 인정해야 한다. 현재 입자 물리학계에서는 이러한 조건이 충족이 되는 비대칭성을 제안하고는 있지만 관측되고 있는 현재 우주의 중입자와 반중입자의 비대칭을 설명하기에 너무도 작아 보였다.

강입자 시대

우주로서 구성되는 쿼크글루온 플라즈마는 양성자와 중성자와 같은 중입자를 포함하고 있는 강입자의 생성까지 냉각이 된다. 이는 강입자 시대에 해당이 된다. 최초 강입자와 반강입자 쌍이 형성되어 물질과 반물질 간 열평형 상황에 놓인다. 우주의 온도가 급속도로 냉각되면서 새로운 강입자와 반강입자 쌍이 더 이상 생성되지 않으며 새로 형성된 강입자와 반강입자 대부분이 쌍소멸 되며 고에너지의 광자쌍이 새로 생성된다. 이론에 따르면 양성자 6개당 1개의 중성자가 잔류하며 중성자 붕괴에 따라 시간이 자게 되면 1대 7로 감소하게 된다. 이는 향후 단계에서 중성자와 일부 양성자가 융합되어 수소와 중수소 라고 하는 수소 동위원소와 헬륨 및 기타 측정 가능한 다른 원소를 남겼기 때문이라고 한다.