Kosmisk inflation:Higgs siger farvel til sin lillebror

I de første øjeblikke efter Big Bang, universet ekspanderede mange milliarder gange hurtigere end i dag. En sådan hurtig ekspansion skyldes sandsynligvis et urkraftfelt, der virker med en ny partikel, opblæsning. Fra den seneste analyse af forfaldet af mesoner udført i LHCb -eksperimentet af fysikere fra Krakow og Zürich, det lader til, imidlertid, at den mest sandsynlige lysblæsning, en partikel med egenskaberne ved den berømte Higgs boson, men mindre massiv, eksisterer næsten bestemt ikke.

Lige efter Big Bang, universet har sandsynligvis oplevet et ekstremt ekspansionsudbrud. Hvis der skete inflation, der burde være en ny kraft bag. Dens kraftbærere er teoretiseret til at være hidtil uobserverede oppustninger, som burde have mange træk, der minder om den berømte Higgs boson. Fysikere fra Institute of Nuclear Physics fra det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow og Universitetet i Zürich (UZH) søgte efter spor af lette oppustninger i forfaldet af B+ mesoner registreret af detektorer i LHCb -eksperimentet på CERN nær Genève . Detaljeret analyse af dataene, imidlertid, rejser tvivl om eksistensen af ​​lette oppustelige.

På trods af dens svage effekter, tyngdekraften påvirker universets udseende på de største skalaer. Som en konsekvens, alle moderne kosmologiske modeller er baseret på den bedste tyngdekraftsteori, Albert Einsteins generelle relativitetsteori. De første kosmologiske modeller konstrueret på relativiteten tyder på, at universet var en dynamisk skabelse. I dag, vi ved, at det engang var ekstremt tæt og varmt, og for 13,8 milliarder år siden, det begyndte hurtig ekspansion. Relativitetsteorien forudsiger forløbet af denne proces, der starter fra brøkdele af et sekund efter Big Bang.

"Det primære bevis på disse begivenheder er den mikrobølge baggrundsstråling, der dannede et par hundrede tusinde år efter Big Bang. Det svarer i øjeblikket til en temperatur på omkring 2,7 kelvin og fylder ensartet hele universet. Det er denne homogenitet, der har vist sig at være et stort puslespil, "siger Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN), og forklarer, "Når vi kigger ind i himlen, de dybe rumfragmenter, der er synlige i en retning, kan være så fjerne fra dem, der er synlige i en anden retning, at lys endnu ikke har haft tid til at passere mellem dem. Så intet der er sket på et af disse områder, bør påvirke det andet. Men uanset hvor vi ser, temperaturen i fjerne områder af kosmos er næsten identisk. Hvordan kunne det være blevet så ensartet? "

Ensartetheden af ​​mikrobølge baggrundsstråling forklares ved den mekanisme, som Alan Guth foreslog i 1981. I sin model, universet ekspanderede oprindeligt langsomt, og alle observerede punkter havde tid til at interagere og udjævne temperaturen. Ifølge Guth, på et tidspunkt, imidlertid, der må have været en meget kort, men ekstremt hurtig udvidelse af rum-tid. Den nye kraft, der var ansvarlig for denne inflation, udvidede universet i en sådan grad, at i dag, den udviser en bemærkelsesværdig ensartethed (hvad angår temperaturen på den kosmologiske mikrobølge -baggrund).

"Et nyt felt betyder altid eksistensen af ​​en partikel, der er bærer af effekten. Kosmologi er således blevet interessant for fysikere, der undersøger fænomener i mikroskalaen. I lang tid har en god kandidat til inflaton syntes at være den berømte Higgs boson. Men i 2012, Higgs blev endelig observeret i den europæiske LHC -accelerator, og viste sig at være for tung. Hvis Higgs, med sin masse, var ansvarlig for inflationen, dagens reliktstråling ville se anderledes ud, end hvad der i øjeblikket observeres af COBE, WMAP- og Planck -satellitter, "siger Dr. Chrzaszcz.

Teoretikere foreslog en løsning på denne overraskende situation:Inflaton kan være en helt ny partikel med egenskaberne af Higgs, men med en mindre masse. I kvantemekanik, egenskabernes identiske karakter får partikler til at svinge - de cyklisk omdanner hinanden til en anden. En inflationsmodel konstrueret på denne måde ville kun have en parameter, der beskriver frekvensen af ​​oscillation/transformation mellem inflaton og Higgs boson.

"Massen af ​​den nye inflaton kan være lille nok til, at partiklen kan forekomme i forfaldet af B ⁺ mesoner. Og disse skønhedsmesoner er partikler registreret i stort antal ved LHCb -eksperimentet ved Large Hadron Collider. Så vi besluttede at lede efter forfald af mesoner, der sker gennem interaktionen med inflaton i data indsamlet i LHC i 2011 til 2012, "siger ph.d. -studerende Andrea Mauri (UZH).

Hvis der faktisk fandtes lette oppustninger, B ⁺ meson undertiden forfalder til en kaon (K ⁺ meson) og en Higgs -partikel, som ville konvertere til en inflaton som følge af svingningen. Efter at have rejst et par meter i detektoren, inflaton ville forfalde til to elementarpartikler:muoner og antimuoner. Detektorer af LHCb -eksperimentet ville ikke registrere tilstedeværelsen af ​​hverken Higgs eller inflaton. Forskere fra IFJ PAN, imidlertid, forventes at se emission af kaoner og udseendet af henholdsvis muon-antimuon-par.

"Afhængig af parameteren, der beskriver frekvensen af ​​inflaton-Higgs-oscillationen, forløbet af B. ⁺ meson henfald bør være lidt anderledes. I vores analyse, vi ledte efter henfald på op til 99 procent af de mulige værdier for denne parameter - og vi fandt intet. Vi kan derfor med stor sikkerhed sige, at lysindblæsningen simpelthen ikke eksisterer, "siger Dr. Chrzaszcz.

Teoretisk set lavmasse-oppustninger kan stadig være skjult i 1 procent af de uundersøgte variationer i oscillation. Disse sager vil i sidste ende blive udelukket af fremtidige analyser ved hjælp af nyere data, der nu indsamles på LHC. Imidlertid, fysikere skal forene tanken om, at hvis der findes oppustningskugle, de er enten mere massive end tidligere antaget, eller de forekommer i mere end én variation.