|
Связь между космоинфляцией и физикой элементарных частиц
|
|
|
|
В течение следующего десятилетия планируется проведение различных крупномасштабных астрофизических исследовательских проектов, некоторые из которых относятся к так называемым экспериментам с космическим микроволновым фоном (CMB). Это крупномасштабные научные исследования, направленные на обнаружение и изучение реликтового излучения, которое, по сути, является тепловым излучением, исходящим из ранней Вселенной.
|
|
|
|
Исследователи из Католического университета Лувена в Бельгии недавно показали, что предстоящие наблюдения реликтового излучения с помощью японского спутника LiteBIRD или обсерваторий CMB Stage 4 (CMB-S4), финансируемых главным образом США, могут, обнаружив первичные гравитационные волны, впервые измерить связь так называемого инфлатонного поля с другими частицами, дальнейшее улучшение возможно, если добавить данные оптических наблюдений или радиотелескопов следующего поколения.
|
|
|
|
Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, предполагает, что это измерение может помочь исследовать связь между космической инфляцией и физикой элементарных частиц.
|
|
|
|
"Одним из самых удивительных аспектов Стандартной модели физики элементарных частиц является то, что она не только описывает все элементарные частицы, обнаруженные на Земле, в терминах нескольких симметрий и небольшого числа чисел, но и эти законы кажутся достаточно универсальными, чтобы их можно было применять в отдаленных областях космоса и в процессах, которые происходят на Земле. это произошло в первые мгновения после Большого взрыва", - рассказали Марко Дрюз и Лей Мин, два автора статьи Phys.org.
|
|
|
"Естественно задаться вопросом, как далеко мы можем продвинуться в истории с теориями физики элементарных частиц и что мы можем узнать из ранней Вселенной о новой физике, выходящей за рамки стандартной модели".
|
|
|
|
Исследование Дрюса и Мина основано на их увлечении связью между физикой элементарных частиц и космологией. Их недавняя статья основана на предыдущих исследованиях Дрюса, которые были начаты в 2015 году и заложили основу для докторского проекта Мина.
|
|
|
|
На момент проведения исследования Лэй Мин был приглашенным аспирантом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и входил в исследовательскую группу Дрюса. С тех пор он окончил университет и начал работать в SYSU в Гуанчжоу.
|
|
|
|
"Широко распространено мнение, что общая однородность наблюдаемой Вселенной является результатом фазы ускоренного космического расширения, получившей название "космической инфляции", произошедшей около 14 миллиардов лет назад", - сказали Дрюз и Минг. "Однако неизвестно, как механизм, который вызвал это ускорение, связан с фундаментальной теорией природы, и особенно со стандартной моделью физики элементарных частиц. Важным ключом может послужить отпечаток "космического разогрева" в реликтовом излучении".
|
|
|
|
Космический разогрев - это процесс, в ходе которого ранняя Вселенная была заполнена горячей плазмой после ее охлаждения в результате инфляционного расширения. Этот процесс в конечном счете создал начальные условия для "горячего Большого взрыва", который привел к образованию Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем.
|
|
|
|
В некоторых предыдущих исследованиях уже рассматривалась возможность определения начальной температуры Вселенной с помощью данных CMB. Однако исследование, проведенное Дрюсом и Мингом, делает еще один шаг вперед, исследуя, в какой степени эти данные могут содержать информацию о связи между CMB и физикой элементарных частиц.
|
|
|
|
Повторный нагрев обусловлен взаимодействиями между полем, ответственным за космическую инфляцию (т.е. инфлатоном), и другими частицами, и, следовательно, чувствителен к фундаментальной константе связи, которая определяет силу этого взаимодействия (инфлатонная связь). Аналогом этой связи, укоренившейся в физике средней школы, был бы, например, элементарный заряд, который определяет силу взаимодействия между электрическим полем и заряженными частицами.
|
|
|
|
"Мы показали, что эксперименты, подобные CMB-S4 или LiteBIRD, впервые позволяют измерить связь", - сказали Дрюз и Минг. "Это микрофизический параметр, который не только повлиял на эволюцию нашего космоса, установив начальную температуру первичной плазмы во время Большого взрыва, но и может рассказать нам кое-что о связи между моделями космической инфляции и теориями физики элементарных частиц. Таким образом, наша работа добавляет новый аспект к физическим примерам этих экспериментов".
|
|
|
|
Чтобы смоделировать процесс повторного нагрева, исследователям необходимо использовать комбинацию методов, основанных на физике элементарных частиц, в частности квантовой теории поля, и статистической механике. В своих предыдущих работах Дрюз и Минг достигли этого, используя подход, известный как формализм Швингера-Келдыша.
|
|
|
|
"В более ранних работах мы делали это, используя так называемый формализм Швингера-Келдыша, метод описания неравновесных квантовых процессов в плотной среде, который первоначально был разработан в физике конденсированных сред и позже обобщен на физику элементарных частиц, чтобы определить условия, при которых инфлатонное взаимодействие в принципе может быть ограничено данными CMB, - объяснили Дрюз и Минг.
|
|
|
|
В рамках своего недавнего исследования исследователи использовали эти результаты, чтобы определить, смогут ли эксперименты следующего поколения с реликтовым излучением на практике выполнить это измерение. Для этого они использовали методику, основанную на байесовской статистике, которая использует чувствительность будущих детекторов к первичным гравитационным волнам.
|
|
|
|
"Чувствительность в нашем текущем исследовании в первую очередь определяется чувствительностью CMB-S4 или LiteBIRD к первичным гравитационным волнам от инфляции", - добавили Дрюз и Минг. "Теперь мы планируем исследовать, насколько больше информации можно получить, включив другие наблюдаемые данные, такие как негауссовы изменения в космологических возмущениях или так называемое изменение спектрального индекса".
|
|
|
|
В целом, результаты анализов, проведенных этой командой исследователей, демонстрируют потенциал будущих экспериментов с реликтовым излучением для изучения связи между космической инфляцией и физикой элементарных частиц.
|
|
|
|
Дрюз и Минг надеются, что их исследование побудит Национальный научный фонд (NSF) и другие финансирующие организации поддержать исследования реликтового излучения, включая мероприятия на Южном полюсе, которые были приостановлены в мае 2024 года, и проложит путь к эксперименту CMB-S4.
|
|
|
|
Источник
|
