現代の宇宙進化論によると、宇宙は特異な爆発で始まり、その後インフレーションによる膨張が起こったとされています。 インフレーションを理解するためには、基礎物理学、量子重力、究極の統一理論の理解におけるブレークスルーが必要である。 インフレーションはエネルギーが高すぎて地球上では再現できないが、その痕跡を長い年月をかけて、その時代の遺物として検出される物質で観察することができる。
インフレーションの後、初期の宇宙の条件はまだ非常に極端で、素粒子を新しい相の物質に結合することが可能であった。 宇宙が膨張し、冷えるにつれて、蒸気が凝縮して水になるように、物質がある相から別の相に変化する遷移が起こりました。 このような相転移は、宇宙史の中で最も劇的な出来事であり、宇宙の進化を形成し、現在も観測可能な遺物を残していると考えられる。 宇宙の相転移は、高エネルギー加速器実験で再現できるかもしれません。

科学革命のためのツール

現在の宇宙進化論によれば、宇宙は「初期特異点」で始まり、既知の物理法則がすべて崩壊する地点となります。 この特異点は、140億年もの間、直立したままである鉛筆のように、微妙にバランスの取れた宇宙を生み出したのです。 宇宙はどのようにしてそのような状態になったのでしょうか？ どうしてそんなに古くなったのか？ なぜ、宇宙はさらに分裂したり、崩壊したりしなかったのでしょうか？

過去20年間、宇宙インフレーション理論は、ビッグバンの始まりについて説得力のある説明を提供してきました。 この理論によれば、初期の加速膨張の段階が、今日のようなバランスのとれた宇宙を生み出したということです。 宇宙膨張は、鉛筆の先端のバランスを取る手である。 また、副産物として、星や銀河、銀河団など宇宙の構造物に進化する種も生み出されたのです。

宇宙のインフレーションは、このレポートの基本的な疑問に関連する課題を提示しています。 1つの可能性は、宇宙のインフレーションは、今日観測されている暗黒エネルギーに似た暗黒エネルギーで発生したということである。 もしそうなら、どのような物質がそれを生み出したのだろうか？ この種の物質は統一に関与しているのだろうか？ 超次元とどのような関係があるのか？ さらに過激なのは、ビッグバンの始まりで空間と時間の性質が変化したという可能性である。 超ひも理論は最初の特異点を滑らかにするのだろうか？ 自然は本当にどのモデルを選択したのだろうか？

現在のところ、宇宙マイクロ波背景（CMB）の揺らぎの測定、特にWMAPからの測定が、インフレーションを支持する最も良い証拠を提供している。 宇宙の曲率などの宇宙パラメータや宇宙構造の性質に関する制約が、インフレーション理論の予測とほぼ一致している。 最終的には、CMBの偏光を測定することで、インフレーションのエポック期に発生した重力波のサインを検出することが可能になり、インフレーションを生み出したスカラー場の性質に関する情報を提供することができるかもしれない。

ビッグバン後、宇宙は膨張と冷却を繰り返しながら現在の姿になりました。 その過程で、水が冷えて氷になるように、宇宙は様々な粒子が凍りつくような相転移を繰り返した。 このような相転移は、宇宙の歴史において最も重要なエポックとなった。 例えば、宇宙インフレーションを引き起こしたのは、相転移かもしれない。 相転移は、超高エネルギーの宇宙線、暗黒物質、そしておそらくは暗黒エネルギーさえも説明できる、ひもやテクスチャーなどのエキゾチックな形の物質といった「宇宙の欠陥」を生み出すかもしれないのである。

LHC の実験は、既知の粒子のほとんどが質量を獲得した電弱相転移に光を当て続けるでしょう。 この相転移をよりよく理解することで、科学者はビッグバンそのものに近づくことができる。 実際、電弱相転移は、今日の宇宙で見られる物質と反物質の非対称性の究極的な原因である可能性が高いのです。 新しい粒子や新しい相互作用の発見が、この物語に光を当て、それが正しいかどうかを判断することになるだろう。 さらに、宇宙進化の説明には、新しい対称性や新しい次元の発見を盛り込まなければならない。

現在、最も熱心に研究されている宇宙の相転移は、核力の理論である量子色力学（QCD）に関連しています。 QCDの相転移では、現在の宇宙のバリオン物質がクォークとグルーオンからなるプラズマのような状態から凝縮された。 現在、BNLの相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）では、重イオンの衝突によりクォーク・グルーオン・プラズマを研究し、LHCのALICE実験では、より高いエネルギーと温度でクォーク・グルーオン・プラズマを調査している。 格子計算機施設は、RHIC のデータと初期宇宙の進化のエポックにおける条件の理解を深める計算を可能にする。