Nașterea Universului

Cum a luat naștere Universul?

Este fizica particulelor într-o perioadă de criză? Keith Baker, fizicianul de la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, o vede ca pe o perioadă de oportunitate pentru a descrie noi fenomene.
Veziți videoclipul

Conform teoriilor moderne ale evoluției cosmice, universul a început cu o explozie singulară, urmată de o explozie de expansiune inflaționistă. Pentru a înțelege inflația este nevoie de descoperiri în înțelegerea fizicii fundamentale, a gravitației cuantice și a teoriei unificate finale. Deși condițiile inflaționiste au o energie prea mare pentru a putea fi reproduse pe Pământ, putem observa semnăturile lor, transmise de-a lungul eonilor prin amprenta lor pe materia relicvă pe care încă o putem detecta din acea epocă.
După inflație, condițiile universului timpuriu erau încă atât de extreme încât puteau combina particulele elementare în noi faze ale materiei. Pe măsură ce universul s-a extins și s-a răcit, au avut loc tranziții, materia trecând de la o fază la alta, precum aburul care se condensează în apă. Este posibil ca unele dintre aceste tranziții de fază să fi fost cele mai dramatice evenimente din istoria cosmică, modelând evoluția universului și lăsând relicve observabile astăzi. Tranzițiile de fază cosmice ar putea fi recreate în experimente cu acceleratoare de înaltă energie.

Instrumente pentru o revoluție științifică

Conform teoriilor actuale ale evoluției cosmice, universul începe cu o „singularitate inițială”, un punct în care toate legile cunoscute ale fizicii se destramă. Această singularitate a produs un univers delicat echilibrat, ca un creion atât de precis echilibrat pe vârful său încât rămâne în poziție verticală timp de 14 miliarde de ani. Cum a ajuns universul într-o astfel de stare? Cum a ajuns să fie atât de vechi? De ce nu a explodat și mai mult sau nu s-a prăbușit pe el însuși?

În ultimele două decenii, teoria inflației cosmice a oferit o explicație convingătoare a începutului big bang-ului. Conform acestei teorii, o fază timpurie de expansiune accelerată a dat naștere universului echilibrat pe care îl vedem astăzi. Inflația cosmică este mâna care a echilibrat creionul pe vârful său. Ca un produs secundar, a produs și semințele care au evoluat în stele, galaxii, roiuri de galaxii și alte structuri din univers.

Inflația cosmică prezintă provocări legate de întrebările fundamentale din acest raport. O posibilitate este că inflația cosmică a luat naștere cu o formă de energie întunecată, asemănătoare energiei întunecate observate astăzi. Dacă este așa, ce fel de materie a produs-o? Joacă această formă de materie un rol în unificare? Ce legătură are aceasta cu dimensiunile suplimentare? Și mai radicală este posibilitatea ca spațiul și timpul să-și fi schimbat natura la începutul big bang-ului. Teoria corzilor netezește singularitatea inițială? Ce model a ales cu adevărat natura?

În prezent, măsurătorile fluctuațiilor fondului cosmic de microunde (CMB), în special cele de la WMAP, oferă cele mai bune dovezi în favoarea inflației. Constrângerile asupra parametrilor cosmici, cum ar fi curbura universului și natura structurii cosmice, sunt în larg acord cu predicțiile teoriei inflaționiste. În cele din urmă, măsurătorile polarizării CMB ar putea permite detectarea semnăturilor undelor gravitaționale produse în timpul epocii de inflație, ceea ce ar putea oferi informații despre natura câmpului scalar care a produs inflația.

După big bang, universul s-a extins și s-a răcit pentru a ajunge la starea sa actuală. Pe parcurs, universul a trecut printr-o serie de tranziții de fază în care diverse particule au înghețat, așa cum apa se transformă în gheață atunci când se răcește. Aceste tranziții de fază au condus la unele dintre cele mai importante epoci din istoria cosmică. De exemplu, este posibil ca o tranziție de fază să fie cea care a determinat inflația cosmică. Tranzițiile de fază ar putea produce „defecte cosmice”, cum ar fi corzile și textura și alte forme exotice de materie, care ar putea explica razele cosmice de energie ultra-înaltă, materia întunecată și poate chiar energia întunecată.

Experimentele de la LHC vor continua să lumineze tranziția de fază electrofobică, unde majoritatea particulelor cunoscute și-au dobândit masele. O mai bună înțelegere a acestei tranziții de fază va permite oamenilor de știință să se apropie mai mult de Big Bang-ul însuși. Într-adevăr, este probabil ca tranziția de fază electrofobică să fie sursa ultimă a asimetriei materie-antimaterie pe care o vedem astăzi în univers. Descoperirile de noi particule și noi interacțiuni vor lumina această poveste și vor determina dacă este corectă. În plus, relatarea evoluției cosmice trebuie să includă orice descoperire de noi simetrii sau noi dimensiuni.

În prezent, cea mai intens studiată tranziție de fază cosmică este legată de cromodinamica cuantică (QCD), teoria forței nucleare. În timpul tranziției de fază QCD, materia barionică din universul actual s-a condensat dintr-o stare asemănătoare unei plasme de quarci și gluoni. Instalația Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) de la BNL creează în prezent coliziuni de ioni grei pentru a studia plasma quark-gluon; experimentul ALICE de la LHC investighează plasma quark-gluon la energii și temperaturi mai mari. Instalațiile de calcul Lattice Computational Facilities vor permite efectuarea de calcule care să ducă la o mai bună înțelegere a datelor RHIC și a condițiilor din această epocă a evoluției universului timpuriu.

.