Universets födelse

Hur kom universum till?

Är partikelfysiken i en kristid? Keith Baker, fysiker vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ser det som en period av möjligheter att beskriva nya fenomen.
Se videon

Enligt moderna teorier om kosmisk evolution började universum med en singulär explosion, följt av en explosion av inflationär expansion. För att förstå inflationen krävs genombrott i vår förståelse av grundläggande fysik, kvantgravitation och den ultimata enhetliga teorin. Även om de inflationära förhållandena har för hög energi för att kunna reproduceras på jorden kan vi observera deras signaturer, som överförts under eoner genom deras avtryck på den reliska materia som vi fortfarande kan upptäcka från den epoken.
Efter inflationen var förhållandena i det tidiga universum fortfarande så extrema att de kunde kombinera elementarpartiklar till nya faser av materia. När universum expanderade och svalnade ägde övergångar rum då materia övergick från en fas till en annan, likt ånga som kondenseras till vatten. Vissa av dessa fasövergångar kan ha varit de mest dramatiska händelserna i den kosmiska historien, som formade universums utveckling och lämnade kvar rester som kan observeras idag. Kosmiska fasövergångar skulle kunna återskapas i experiment med högenergiacceleratorer.

Verktyg för en vetenskaplig revolution

Enligt nuvarande teorier om kosmisk utveckling börjar universum med en ”initial singularitet”, en punkt där alla kända fysikaliska lagar bryts samman. Denna singularitet gav upphov till ett fint balanserat universum, likt en penna som är så exakt balanserad på sin spets att den håller sig upprätt i 14 miljarder år. Hur nådde universum ett sådant tillstånd? Hur kunde det bli så gammalt? Varför har det inte sprängts sönder ännu mer eller kollapsat tillbaka på sig självt?

Under de senaste två decennierna har teorin om kosmisk inflation erbjudit en övertygande förklaring till hur big bang började. Enligt denna teori gav en tidig fas av accelererad expansion upphov till det balanserade universum vi ser idag. Den kosmiska inflationen är handen som balanserade pennan på dess spets. Som en biprodukt producerade den också de frön som utvecklades till stjärnor, galaxer, galaxhopar och andra strukturer i universum.

Den kosmiska inflationen innebär utmaningar med anknytning till de grundläggande frågorna i denna rapport. En möjlighet är att den kosmiska inflationen har sitt ursprung i en form av mörk energi, som liknar den mörka energi som observeras idag. Om så är fallet, vilken typ av materia producerade den? Spelar denna form av materia en roll för föreningen? Hur förhåller den sig till extra dimensioner? Ännu mer radikalt är möjligheten att rum och tid ändrade sin natur i början av big bang. Utjämnar strängteorin den ursprungliga singulariteten? Vilken modell valde naturen egentligen?

För närvarande utgör mätningar av fluktuationer i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), särskilt från WMAP, det bästa beviset för inflation. Begränsningar av kosmiska parametrar, t.ex. universums krökning och den kosmiska strukturens beskaffenhet, stämmer i stort sett överens med inflationsteorins förutsägelser. Så småningom kan mätningar av polariseringen av CMB göra det möjligt att upptäcka signaturer av gravitationsvågor som produceras under inflationsepoken, vilket skulle kunna ge information om arten av det skalarfält som producerade inflationen.

Efter big bang expanderade och svalnade universum för att nå sitt nuvarande tillstånd. På vägen dit passerade universum genom en rad fasövergångar där olika partiklar frös ut, på samma sätt som vatten förvandlas till is när det svalnar. Dessa fasövergångar drev fram några av de viktigaste epokerna i den kosmiska historien. Det kan till exempel vara en fasövergång som drev den kosmiska inflationen. Fasövergångar kan ge upphov till ”kosmiska defekter”, t.ex. strängar och textur och andra exotiska former av materia, som skulle kunna förklara kosmisk strålning med ultrahög energi, mörk materia och kanske till och med mörk energi.

Experimenten vid LHC kommer att fortsätta att belysa den elektrosvaga fasövergången, där de flesta kända partiklar fick sina massor. En bättre förståelse av denna fasövergång kommer att göra det möjligt för forskarna att närma sig själva big bang. Det är faktiskt troligt att den elektrosvaga fasövergången är den yttersta källan till den asymmetri mellan materia och antimateria som vi ser i universum idag. Upptäckter av nya partiklar och nya interaktioner kommer att belysa denna historia och avgöra om den är korrekt. Dessutom måste redogörelsen för den kosmiska evolutionen innehålla alla upptäckter av nya symmetrier eller nya dimensioner.

För närvarande är den mest intensivt studerade kosmiska fasövergången kopplad till kvantkromodynamiken (QCD), teorin om kärnkraften. Under QCD-fasövergången kondenserades den baryoniska materian i det nuvarande universum från ett plasmaliknande tillstånd av kvarkar och gluoner. Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) vid BNL skapar för närvarande kollisioner av tunga joner för att studera kvark-gluonplasma. ALICE-experimentet vid LHC undersöker kvark-gluonplasma vid högre energier och temperaturer. Lattice Computational Facilities kommer att möjliggöra beräkningar som ökar förståelsen av RHIC-data och förhållandena under denna epok i det tidiga universums utveckling.