Могут ли эксперименты с CMB раскрыть связь между инфляцией и физикой частиц?

Вселенная хранит в себе множество тайн, и одна из самых интригующих — это ее начало. Как возникла та Вселенная, которую мы наблюдаем сегодня, со всеми ее галактиками, звездами и планетами? Стандартная космологическая модель, обозначаемая как ΛCDM, дает весьма точный ответ на этот вопрос, описывая эволюцию Вселенной с удивительной точностью. Эта модель основана на двух фундаментальных теориях современной физики: общей теории относительности, описывающей гравитационное взаимодействие, и Стандартной модели, объединяющей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия элементарных частиц.

Однако, несмотря на все свои успехи, модель ΛCDM не дает ответа на вопрос о том, что же происходило в самые первые мгновения после Большого взрыва. Как возникли начальные условия, определившие дальнейшую эволюцию Вселенной? Почему пространство так однородно и изотропно? Откуда взялись флуктуации плотности, из которых впоследствии сформировались галактики?

Одним из наиболее элегантных решений этих проблем является теория космической инфляции. Согласно этой теории, в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная претерпела фазу экспоненциального расширения, называемую инфляцией. В ходе этого процесса крошечная область пространства раздулась до гигантских размеров, сгладив все неоднородности и создав условия для формирования наблюдаемой сегодня структуры Вселенной.

Инфляция также объясняет возникновение первичных флуктуаций плотности, которые запечатлены в реликтовом излучении — «эхе» Большого взрыва. Эти флуктуации, подобно крошечным «семенам», дали начало формированию галактик и крупномасштабной структуры Вселенной.

Несмотря на успехи инфляционной теории, многие ее аспекты остаются неясными. В частности, ученые мало знают о механизме, вызвавшем инфляцию, и о связи этого процесса с физикой элементарных частиц.

В ближайшие десятилетия новые эксперименты по изучению реликтового излучения (CMB) — LiteBIRD и CMB-S4 — позволят существенно улучшить точность измерений космологических параметров и, возможно, пролить свет на природу инфляции. Эти эксперименты будут измерять поляризацию реликтового излучения с беспрецедентной точностью, что позволит обнаружить следы первичных гравитационных волн, возникших во время инфляции.

Однако, информация о инфляции содержится не только в гравитационных волнах. Важную роль играет также эпоха реликтового разогрева, которая следует за инфляцией. В этот период энергия инфляционного поля, называемого инфлатоном, передается другим частицам, заполняющим Вселенную. Этот процесс определяет температуру первичной плазмы и влияет на дальнейшую эволюцию Вселенной.

Реликтовый разогрев тесно связан с константой связи инфлатона с другими полями. Эта константа, обозначаемая как g, является микрофизическим параметром, который может дать важную информацию о связи инфляции с теориями физики частиц за пределами Стандартной модели.

Именно на этом аспекте сосредоточены исследования ученых. Они разработали аналитический метод для оценки чувствительности будущих наблюдений CMB к величине g. Применяя этот метод к экспериментам LiteBIRD и CMB-S4, ученые обнаружили, что эти миссии смогут впервые в истории измерить константу связи инфлатона g и температуру реликтового разогрева Tre, установив как верхнюю, так и нижнюю границу для этих величин.

Метод, разработанный учеными, основан на анализе влияния реликтового разогрева на спектр первичных флуктуаций плотности. Этот спектр характеризуется двумя основными параметрами: спектральным индексом ns, описывающим наклон спектра, и отношением тензорных возмущений к скалярным r.

Ученые рассматривают модели инфляции, описываемые одним скалярным полем, и предполагают, что это описание справедливо как во время инфляции, так и во время реликтового разогрева. Используя уравнения Фридмана, описывающие динамику расширяющейся Вселенной, и зависимость плотности энергии от масштабного фактора, они получают выражение для g, зависящее от наблюдаемых космологических параметров ns и r.

Для иллюстрации этого метода ученые рассматривают две конкретные модели инфляции: радионную калибровочную инфляцию (RGI) и α-аттракторные Т-модели (α-T). Эти модели предсказывают определенные значения ns и r, связанные с величиной g.

Анализируя ожидаемую точность измерений ns и r в экспериментах LiteBIRD и CMB-S4, ученые показывают, что эти миссии позволят получить значимую информацию о величине g и Tre в обеих моделях. В некоторых случаях можно будет даже исключить определенные значения этих параметров.

Дальнейшее улучшение точности измерений можно достичь, комбинируя данные CMB с данными оптических и 21-см обзоров, таких как EUCLID и SKA. EUCLID — это космический телескоп, который будет создавать трехмерную карту распределения галактик и темной материи во Вселенной. SKA — это радиотелескоп, который будет изучать нейтральный водород в ранней Вселенной. Комбинируя данные этих обзоров с данными CMB, можно будет не только уточнить значение g, но и ограничить другие параметры моделей инфляции.

Таким образом, исследования ученых демонстрируют потенциал будущих космологических наблюдений для изучения связи между инфляцией и физикой частиц. Измерение константы связи инфлатона g откроет новое окно в мир микрофизики, лежащей в основе ранней Вселенной. Это качественно новый шаг в понимании фундаментальных законов природы и их проявлений в самых грандиозных масштабах.