Narodziny Wszechświata

Jak powstał wszechświat?

Czy fizyka cząstek elementarnych przeżywa kryzys? Keith Baker, fizyk z Thomas Jefferson National Accelerator Facility, uważa, że jest to okres możliwości opisania nowych zjawisk.
Zobacz film

Według współczesnych teorii ewolucji kosmosu wszechświat rozpoczął się od pojedynczej eksplozji, po której nastąpił wybuch ekspansji inflacyjnej. Zrozumienie inflacji wymaga przełomu w naszym rozumieniu fundamentalnej fizyki, kwantowej grawitacji i ostatecznej zunifikowanej teorii. Chociaż warunki inflacyjne są zbyt wysokoenergetyczne, aby odtworzyć je na Ziemi, możemy obserwować ich sygnatury, przekazywane przez eony poprzez ich odcisk na materii reliktowej, którą wciąż możemy wykryć z tamtej epoki.
Po inflacji warunki wczesnego wszechświata były wciąż tak ekstremalne, że mogły łączyć cząstki elementarne w nowe fazy materii. Gdy wszechświat rozszerzał się i stygł, następowały przejścia, gdy materia przechodziła z jednej fazy w drugą, jak para wodna skraplająca się w wodę. Niektóre z tych przejść fazowych mogły być najbardziej dramatycznymi wydarzeniami w historii kosmosu, kształtując ewolucję wszechświata i pozostawiając relikty obserwowalne dzisiaj. Kosmiczne przejścia fazowe mogą być odtworzone w eksperymentach z akceleratorami wysokich energii.

Narzędzia dla naukowej rewolucji

Zgodnie z obecnymi teoriami ewolucji kosmicznej, wszechświat zaczyna się od „początkowej osobliwości”, punktu, w którym wszystkie znane prawa fizyki ulegają załamaniu. Ta osobliwość wytworzyła delikatnie zrównoważony wszechświat, jak ołówek tak precyzyjnie wyważony na swoim czubku, że pozostaje w pozycji pionowej przez 14 miliardów lat. Jak wszechświat osiągnął taki stan? Jak to się stało, że jest tak stary? Dlaczego nie rozleciał się jeszcze bardziej lub nie zapadł się z powrotem na siebie?

Przez ostatnie dwie dekady teoria kosmicznej inflacji oferowała przekonujące wyjaśnienie początku wielkiego wybuchu. Zgodnie z tą teorią, wczesna faza przyspieszonej ekspansji dała początek zrównoważonemu wszechświatowi, który widzimy dzisiaj. Kosmiczna inflacja jest ręką, która wyważyła ołówek na jego czubku. Jako produkt uboczny, wyprodukowała ona również nasiona, które rozwinęły się w gwiazdy, galaktyki, gromady galaktyk i inne struktury we wszechświecie.

Kosmiczna inflacja stawia wyzwania związane z fundamentalnymi pytaniami zawartymi w tym raporcie. Jedną z możliwości jest to, że kosmiczna inflacja powstała z formy ciemnej energii, podobnej do ciemnej energii obserwowanej obecnie. Jeżeli tak, to jaki rodzaj materii ją wytworzył? Czy ta forma materii odgrywa jakąś rolę w unifikacji? Jak wiąże się ona z dodatkowymi wymiarami? Jeszcze bardziej radykalna jest możliwość, że przestrzeń i czas zmieniły swoją naturę na początku wielkiego wybuchu. Czy teoria strun wygładza początkową osobliwość? Który model naprawdę wybrała natura?

Obecnie, pomiary fluktuacji w kosmicznym mikrofalowym tle (CMB), szczególnie z WMAP, dostarczają najlepszych dowodów na korzyść inflacji. Ograniczenia na parametry kosmiczne, takie jak krzywizna wszechświata i natura struktury kosmicznej, są w szerokiej zgodzie z przewidywaniami teorii inflacji. Ostatecznie, pomiary polaryzacji CMB mogą pozwolić na wykrycie sygnatur fal grawitacyjnych wytworzonych podczas epoki inflacji, co może dostarczyć informacji o naturze pola skalarnego, które wytworzyło inflację.

Po wielkim wybuchu, wszechświat rozszerzył się i ochłodził, aby osiągnąć swój obecny stan. Po drodze, wszechświat przeszedł przez serię przejść fazowych, w których różne cząstki zamarzły, tak jak woda zamienia się w lód, gdy się ochładza. Te przejścia fazowe zapoczątkowały niektóre z najważniejszych epok w historii kosmosu. Na przykład, przejście fazowe może być tym, co napędzało kosmiczną inflację. Przejścia fazowe mogą wytwarzać „kosmiczne defekty”, takie jak struny i tekstury oraz inne egzotyczne formy materii, które mogłyby wyjaśnić ultra wysokoenergetyczne promienie kosmiczne, ciemną materię i być może nawet ciemną energię.

Eksperymenty w LHC będą nadal oświetlać elektrosłabe przejście fazowe, w którym większość znanych cząstek uzyskała swoją masę. Lepsze zrozumienie tego przejścia fazowego pozwoli naukowcom zbliżyć się do samego wielkiego wybuchu. W istocie, jest prawdopodobne, że przejście fazowe elektrosłabe jest ostatecznym źródłem asymetrii materia-antymateria, którą widzimy obecnie we wszechświecie. Odkrycia nowych cząstek i nowych oddziaływań rozjaśnią tę historię i pozwolą stwierdzić, czy jest ona poprawna. Co więcej, opis kosmicznej ewolucji musi zawierać wszelkie odkrycia nowych symetrii lub nowych wymiarów.

Obecnie najintensywniej badane kosmiczne przejście fazowe jest związane z chromodynamiką kwantową (QCD), teorią sił jądrowych. Podczas przejścia fazowego QCD materia barionowa w obecnym wszechświecie skondensowała się z plazmowego stanu kwarków i gluonów. Zderzacz Relatywistycznych Ciężkich Jonów (RHIC) w BNL tworzy obecnie zderzenia ciężkich jonów w celu zbadania plazmy kwarkowo-gluonowej; eksperyment ALICE w LHC bada plazmę kwarkowo-gluonową przy wyższych energiach i temperaturach. Lattice Computational Facilities umożliwi przeprowadzenie obliczeń pozwalających na lepsze zrozumienie danych z RHIC oraz warunków panujących podczas tej epoki w ewolucji wczesnego wszechświata.

.