Universumin synty

Miten maailmankaikkeus syntyi?

Onko hiukkasfysiikka kriisissä? Thomas Jefferson National Accelerator Facilityn fyysikko Keith Baker näkee sen tilaisuutena kuvata uusia ilmiöitä.
Katso video

Nykyaikaisten kosmisen evoluution teorioiden mukaan maailmankaikkeus alkoi singulaarisella räjähdyksellä, jota seurasi inflaatiopurkaus. Inflaation ymmärtäminen vaatii läpimurtoja ymmärryksessämme perusfysiikasta, kvanttigravitaatiosta ja lopullisesta yhtenäisteoriasta. Vaikka inflaatio-olosuhteet ovat energiamäärältään liian korkeat toistettaviksi maapallolla, voimme havaita niiden merkit, jotka ovat siirtyneet aikakausien kuluessa niiden jäljen kautta jäänneaineeseen, jonka voimme yhä havaita tuolta aikakaudelta.
Inflaation jälkeen varhaisen maailmankaikkeuden olosuhteet olivat vielä niin äärimmäiset, että ne pystyivät yhdistämään alkeishiukkasia uusiksi aineen vaiheiksi. Maailmankaikkeuden laajentuessa ja jäähtyessä tapahtui siirtymiä, kun aine siirtyi faasista toiseen, kuten höyry tiivistyy vedeksi. Jotkut näistä faasimuutoksista ovat saattaneet olla kosmisen historian dramaattisimpia tapahtumia, jotka ovat muokanneet maailmankaikkeuden kehitystä ja jättäneet jälkeensä nykyään havaittavia jäänteitä. Kosmiset faasisiirtymät voitaisiin luoda uudelleen suurienergisissä kiihdytinkokeissa.

Työkaluja tieteelliseen vallankumoukseen

Nykyisten kosmisen evoluution teorioiden mukaan maailmankaikkeus alkaa ”alkusingulariteetista”, pisteestä, jossa kaikki tunnetut fysiikan lait murtuvat. Tämä singulariteetti tuotti herkästi tasapainoisen maailmankaikkeuden, joka on kuin lyijykynä, joka on niin tarkasti tasapainossa kärjellään, että se pysyy pystyssä 14 miljardia vuotta. Miten maailmankaikkeus saavutti tällaisen tilan? Miten siitä tuli niin vanha? Miksi se ei ole räjähtänyt entisestään tai romahtanut takaisin itseensä?

Viimeisten kahden vuosikymmenen ajan kosmisen inflaation teoria on tarjonnut vakuuttavan selityksen alkuräjähdyksen alkamiselle. Tämän teorian mukaan kiihtyneen laajenemisen varhaisvaihe synnytti nykyisin näkemämme tasapainoisen maailmankaikkeuden. Kosminen inflaatio on käsi, joka tasapainotti kynän kärkeen. Sivutuotteena se tuotti myös siemeniä, joista kehittyi tähtiä, galakseja, galaksijoukkoja ja muita maailmankaikkeuden rakenteita.

Kosminen inflaatio asettaa haasteita, jotka liittyvät tämän raportin peruskysymyksiin. Yksi mahdollisuus on, että kosminen inflaatio sai alkunsa jonkinlaisesta pimeästä energiasta, joka muistuttaa nykyään havaittua pimeää energiaa. Jos näin on, millainen aine tuotti sen? Onko tällä aineen muodolla merkitystä yhdistymisessä? Miten se liittyy ylimääräisiin ulottuvuuksiin? Vielä radikaalimpi on mahdollisuus, että avaruus ja aika muuttivat luonnettaan alkuräjähdyksen alussa. Tasoittaako säieteoria alkuperäisen singulariteetin? Minkä mallin luonto todella valitsi?

Tällä hetkellä kosmisen mikroaaltotaustan (CMB) vaihteluista tehdyt mittaukset, erityisesti WMAP:n mittaukset, ovat paras todiste inflaation puolesta. Rajoitukset kosmisista parametreista, kuten maailmankaikkeuden kaarevuudesta ja kosmisen rakenteen luonteesta, ovat pitkälti sopusoinnussa inflaatioteorian ennusteiden kanssa. Lopulta CMB:n polarisaation mittaukset saattavat mahdollistaa inflaation aikana syntyneiden gravitaatioaaltojen merkkien havaitsemisen, mikä voisi antaa tietoa inflaation aiheuttaneen skalaarikentän luonteesta.

Alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi saavuttaakseen nykyisen tilansa. Matkan varrella maailmankaikkeus kävi läpi sarjan faasisiirtymiä, joissa eri hiukkaset jäätyivät, kuten vesi muuttuu jääksi jäähtyessään. Nämä vaiheiden siirtymät aiheuttivat joitakin kosmisen historian tärkeimpiä aikakausia. Esimerkiksi kosminen inflaatio saattoi johtua juuri faasimuutoksesta. Faasimuutokset saattavat tuottaa ”kosmisia vikoja”, kuten säikeitä ja tekstuureja ja muita eksoottisia aineen muotoja, jotka voisivat selittää ultrakorkean energian kosmisen säteilyn, pimeän aineen ja ehkä jopa pimeän energian.

LHC:ssä tehtävät kokeet jatkavat sähköheikon faasimuutoksen valaisemista, jossa suurin osa tunnetuista hiukkasista sai massansa. Tämän faasimuutoksen parempi ymmärtäminen antaa tutkijoille mahdollisuuden päästä lähemmäs itse alkuräjähdystä. On nimittäin todennäköistä, että sähköheikko faasimuutos on maailmankaikkeudessa nykyään havaittavan aineen ja antimaterian epäsymmetrian perimmäinen lähde. Uusien hiukkasten ja uusien vuorovaikutusten löytäminen valottaa tätä tarinaa ja selvittää, pitääkö se paikkansa. Lisäksi kosmisen evoluution kuvaukseen on sisällytettävä kaikki uusien symmetrioiden tai uusien ulottuvuuksien löydöt.

Tällä hetkellä voimakkaimmin tutkittu kosminen faasimuutos liittyy kvanttikromodynamiikkaan (QCD), ydinvoiman teoriaan. QCD:n faasimuutoksen aikana nykyisen maailmankaikkeuden baryoninen aine tiivistyi kvarkkien ja gluonien plasman kaltaisesta tilasta. BNL:n Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) -laitoksessa luodaan parhaillaan raskaiden ionien törmäyksiä kvarkki-gluoniplasman tutkimiseksi; LHC:n ALICE-kokeessa tutkitaan kvarkki-gluoniplasmaa korkeammilla energioilla ja lämpötiloilla. Lattice Computational Facilities -laitteiston avulla voidaan tehdä laskelmia, jotka edistävät RHIC:n tietojen ymmärtämistä ja olosuhteiden ymmärtämistä varhaisen maailmankaikkeuden kehityksen tämän aikakauden aikana.