Brug af universet som en kosmologisk kolliderer (Opdatering)

Fysikere udnytter en direkte forbindelse mellem de største kosmiske strukturer og de mindste kendte objekter til at bruge universet som en "kosmologisk kolliderer" og undersøge ny fysik.

Det tredimensionelle kort over galakser i hele kosmos og den resterende stråling fra Big Bang – kaldet den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB) – er de største strukturer i universet, som astrofysikere observerer ved hjælp af teleskoper. Subatomære elementarpartikler, på den anden side, er de mindste kendte objekter i universet, som partikelfysikere studerer ved hjælp af partikelkollidere.

Et hold inklusive Xingang Chen fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang fra Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) og Zhong-Zhi Xianyu fra Center for Mathematical Sciences and Applications ved Harvard University har brugt disse ekstremer af størrelse til at undersøge fundamental fysik på en innovativ måde. De har vist, hvordan egenskaberne af elementarpartiklerne i partikelfysikkens standardmodel kan udledes ved at studere de største kosmiske strukturer. Denne forbindelse er lavet gennem en proces kaldet kosmisk inflation.

Kosmisk inflation er det mest accepterede teoretiske scenario til at forklare, hvad der gik forud for Big Bang. Denne teori forudsiger, at universets størrelse udvidede sig med en ekstraordinær og accelererende hastighed i den første flygtige brøkdel af et sekund efter universet blev skabt. Det var en meget energisk begivenhed, hvor alle partikler i universet blev skabt og interageret med hinanden. Dette svarer til det miljø, fysikere forsøger at skabe i jordbaserede kollidere, med den undtagelse, at dens energi kan være 10 milliarder gange større end nogen kolliderer, som mennesker kan bygge.

Inflationen blev efterfulgt af Big Bang, hvor kosmos fortsatte med at udvide sig i mere end 13 milliarder år, men ekspansionshastigheden aftog med tiden. Mikroskopiske strukturer skabt i disse energiske begivenheder blev strakt ud over universet, hvilket resulterede i områder, der var lidt tættere eller mindre tætte end omgivende områder i det ellers meget homogene tidlige univers. Efterhånden som universet udviklede sig, de tættere områder tiltrak mere og mere stof på grund af tyngdekraften. Til sidst, de oprindelige mikroskopiske strukturer udså den store struktur i vores univers, og bestemte placeringerne af galakser i hele kosmos.

I jordbaserede kollidere, fysikere og ingeniører bygger instrumenter til at læse resultaterne af de kolliderende begivenheder. Spørgsmålet er så, hvordan vi skal læse resultaterne af den kosmologiske kollider.

"For flere år siden, Yi Wang og jeg, Nima Arkani-Hamed og Juan Maldacena fra Institute of Advanced Study, og flere andre grupper, opdagede, at resultaterne af denne kosmologiske kolliderer er kodet i statistikken over de indledende mikroskopiske strukturer. Som tiden går, de bliver indprentet i statistikken over den rumlige fordeling af universets indhold, såsom galakser og den kosmiske mikrobølgebaggrund, som vi observerer i dag, " sagde Xingang Chen. "Ved at studere egenskaberne af disse statistikker kan vi lære mere om egenskaberne af elementarpartikler."

Som i jordbaserede kollidere, før videnskabsmænd udforsker ny fysik, det er afgørende at forstå adfærden af ​​kendte fundamentale partikler i denne kosmologiske kollider, som beskrevet af standardmodellen for partikelfysik.

"Det relative antal fundamentale partikler, der har forskellige masser - det vi kalder massespektret - i standardmodellen har et særligt mønster, som kan ses som standardmodellens fingeraftryk, " forklarede Zhong-Zhi Xiangyu. "Men, dette fingeraftryk ændrer sig, efterhånden som miljøet ændrer sig, og ville have set meget anderledes ud på inflationstidspunktet, end hvordan det ser ud nu."

Holdet viste, hvordan massespektret af standardmodellen ville se ud for forskellige inflationsmodeller. De viste også, hvordan dette massespektrum er indprentet i udseendet af den store struktur i vores univers. Denne undersøgelse baner vejen for den fremtidige opdagelse af ny fysik.

"De igangværende observationer af CMB og storskala struktur har opnået en imponerende præcision, hvorfra værdifuld information om de indledende mikroskopiske strukturer kan udvindes, " sagde Yi Wang. "I denne kosmologiske kolliderer, Ethvert observationssignal, der afviger fra det, der forventes for partikler i standardmodellen, ville så være et tegn på ny fysik."

Den nuværende forskning er kun et lille skridt mod en spændende æra, hvor præcisionskosmologi vil vise sin fulde kraft.

"Hvis vi er så heldige at observere disse aftryk, vi ville ikke kun være i stand til at studere partikelfysik og grundlæggende principper i det tidlige univers, men også bedre forstå kosmisk inflation i sig selv. I denne forbindelse der er stadig et helt univers af mysterier, der skal udforskes, " sagde Xianyu.

Denne forskning er detaljeret beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve den 29. juni, 2017, og fortrykket er tilgængeligt online.