Universets fødsel

Hvordan er universet blevet til?

Er partikelfysikken i en krisetid? Keith Baker, fysiker ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ser det som en periode med muligheder for at beskrive nye fænomener.
Se videoen

Ifølge moderne teorier om kosmisk udvikling begyndte universet med en enkeltstående eksplosion, efterfulgt af et udbrud af inflationær ekspansion. For at forstå inflation kræver det gennembrud i vores forståelse af den grundlæggende fysik, kvantetyngdekraften og den ultimative forenede teori. Selv om de inflationære forhold er for energirige til at kunne reproduceres på Jorden, kan vi observere deres signaturer, der er blevet overført gennem æonerne ved deres aftryk på det relikstof, som vi stadig kan påvise fra den tid.
Efter inflationen var forholdene i det tidlige univers stadig så ekstreme, at de kunne kombinere elementarpartikler til nye stoffaser. Efterhånden som universet udvidede sig og afkøledes, fandt der overgange sted, da materien skiftede fra en fase til en anden, ligesom damp kondenserer til vand. Nogle af disse faseovergange kan have været de mest dramatiske begivenheder i den kosmiske historie, som har formet universets udvikling og efterladt levn, der kan observeres i dag. Kosmiske faseovergange kunne genskabes i eksperimenter med højenergiacceleratorer.

Værktøjer til en videnskabelig revolution

Ifølge de nuværende teorier om kosmisk udvikling begynder universet med en “indledende singularitet”, et punkt, hvor alle kendte fysiske love bryder sammen. Denne singularitet producerede et delikat afbalanceret univers, ligesom en blyant, der er så præcist afbalanceret på sin spids, at den holder sig oprejst i 14 milliarder år. Hvordan nåede universet frem til en sådan tilstand? Hvordan er det blevet så gammelt? Hvorfor er det ikke sprængt endnu mere fra hinanden eller kollapset tilbage i sig selv?

I de sidste to årtier har teorien om kosmisk inflation givet en overbevisende forklaring på starten af big bang. Ifølge denne teori gav en tidlig fase af accelereret ekspansion anledning til det afbalancerede univers, som vi ser i dag. Den kosmiske inflation er den hånd, der balancerede blyanten på sin spids. Som et biprodukt producerede den også de frø, der udviklede sig til stjerner, galakser, galaksehobe og andre strukturer i universet.

Den kosmiske inflation giver udfordringer i forbindelse med de grundlæggende spørgsmål i denne rapport. En mulighed er, at den kosmiske inflation opstod med en form for mørk energi, der ligner den mørke energi, der observeres i dag. Hvis det er tilfældet, hvilken slags stof producerede den så? Spiller denne form for stof en rolle i foreningen? Hvordan hænger den sammen med ekstra dimensioner? Endnu mere radikal er den mulighed, at rum og tid ændrede deres natur i begyndelsen af big bang. Udjævner strengteorien den oprindelige singularitet? Hvilken model valgte naturen i virkeligheden?

På nuværende tidspunkt er målinger af fluktuationer i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), især fra WMAP, det bedste bevis for inflation. Begrænsninger af kosmiske parametre, som f.eks. universets krumning og den kosmiske strukturs natur, er i vid udstrækning i overensstemmelse med forudsigelserne i inflationsteorien. På sigt kan målinger af CMB’s polarisering måske gøre det muligt at påvise signaturerne af gravitationsbølger, der blev produceret i inflationens epoke, hvilket kan give oplysninger om arten af det skalarfelt, der skabte inflationen.

Efter big bang udvidede universet sig og afkøledes for at nå sin nuværende tilstand. Undervejs gennemgik universet en række faseovergange, hvor forskellige partikler frøs ud, ligesom vand bliver til is, når det afkøles. Disse faseovergange var drivkraften bag nogle af de vigtigste epoker i den kosmiske historie. F.eks. kan det være en faseovergang, der var drivkraften bag den kosmiske inflation. Faseovergange kan frembringe “kosmiske defekter” som f.eks. strenge og teksturer og andre eksotiske former for stof, som kan forklare kosmisk stråling med ultrahøj energi, mørkt stof og måske endda mørk energi.

Eksperimenterne ved LHC vil fortsat belyse den elektrosvage faseovergang, hvor de fleste af de kendte partikler fik deres masse. En bedre forståelse af denne faseovergang vil gøre det muligt for forskerne at komme tættere på selve big bang. Det er nemlig sandsynligt, at den elektrosvage faseovergang er den ultimative kilde til den asymmetri mellem stof og antistof, som vi ser i universet i dag. Opdagelser af nye partikler og nye vekselvirkninger vil belyse denne historie og afgøre, om den er korrekt. Desuden skal redegørelsen for den kosmiske udvikling inddrage eventuelle opdagelser af nye symmetrier eller nye dimensioner.

I øjeblikket er den mest intensivt studerede kosmiske faseovergang forbundet med kvantekromodynamikken (QCD), teorien om kernekraften. Under QCD-faseovergangen kondenserede den baryoniske materie i det nuværende univers fra en plasmalignende tilstand af kvarker og gluoner. Relativistic Heavy Ion Collider-anlægget (RHIC) ved BNL skaber i øjeblikket kollisioner af tunge ioner med henblik på at undersøge kvark-gluonplasma; ALICE-eksperimentet ved LHC undersøger kvark-gluonplasmaet ved højere energier og temperaturer. Lattice Computational Facilities vil gøre det muligt at foretage beregninger, der fremmer forståelsen af RHIC-dataene og forholdene i denne epoke i udviklingen af det tidlige univers.