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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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 Вселенной, абстрактная иллюстрация
Инфляция Вселенной, абстрактная иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

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.

Диагональная линия представляет значения ?? и ?, предсказанные моделью RGI (верхняя панель) и моделью ?-T (нижняя панель) для фиксированного ?, при этом инфлатонная связь изменяется вдоль кривой. Черные диски показывают предсказания для конкретных значений юкавской связи ?, с (log10?,log10?re/GeV). Серые части исключаются условиями ?re>0 и ?re<?BBN. Эллипсами обозначены текущие ограничения и будущие чувствительности к ?? и ?, ?k - число ?-кратностей между пересечением горизонта возмущения с волновым числом ? и концом инфляции
Диагональная линия представляет значения ?? и ?, предсказанные моделью RGI (верхняя панель) и моделью ?-T (нижняя панель) для фиксированного ?, при этом инфлатонная связь изменяется вдоль кривой. Черные диски показывают предсказания для конкретных значений юкавской связи ?, с (log10?, log10?re/GeV). Серые части исключаются условиями ?re>0 и ?re<?BBN. Эллипсами обозначены текущие ограничения и будущие чувствительности к ?? и ?, ?k — число ?-кратностей между пересечением горизонта возмущения с волновым числом ? и концом инфляции
Автор: Marco Drewes and Lei Ming Phys. Rev. Lett. 133, 031001 — Published 15 July 2024 DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.031001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

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.

Приоритет ?(?) и апостериор ?(?|?) для ?=log10? при различных вариантах ¯ ? ?, ¯ ? , ???, и ?? в модели RGI (верхняя панель) и ?-T (нижняя панель). Ученые предположили, что ?= ˜ ? =1, но проверили, что выводы остаются неизменными при использовании ?=?′ k или ˜ ? =(?′2 ?+?′2)1/2, причем ′ обозначает производную по отношению к ?.
Приоритет ?(?) и апостериор ?(?|?) для ?=log10? при различных вариантах ¯ ? ?, ¯ ?, ???, и ?? в модели RGI (верхняя панель) и ?-T (нижняя панель). Ученые предположили, что ?= ˜ ? =1, но проверили, что выводы остаются неизменными при использовании ?=?′ k или ˜ ? =(?′2 ?+?′2)1/2, причем ′ обозначает производную по отношению к ?.
Автор: Marco Drewes and Lei Ming Phys. Rev. Lett. 133, 031001 — Published 15 July 2024 DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.031001 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

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.

1 комментарий

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Канадское озеро разделили пластиковой стеной и удобряли две половины по-разному — одна из них позеленела за один сезон

В 1973 году в небольшом озере на северо-западе канадской провинции Онтарио появилась странная конструкция. Через узкую перемычку между двумя его чашами протянули непроницаемую пластиковую завесу,...

Почему большие колонки исчезают из квартир, хотя хороший звук стал доступнее

Ещё лет тридцать назад две большие колонки в гостиной никого не удивляли. Между ними стоял усилитель, магнитофон или проигрыватель пластинок. Аппаратура занимала немало места, провода тянулись за...

Почему для записи на многих магнитофонах нажимали сразу две кнопки — REC и PLAY

Чтобы послушать кассету, достаточно было нажать PLAY. Но для записи песни с радио на многих магнитофонах требовалось утопить сразу две соседние клавиши — REC и PLAY. По названиям...

Оптический контроль инерции: как логика магнитофона «Электроника ТА1-003» спасала тонкий лавсан

Стационарный катушечный магнитофон высшей группы сложности «Электроника ТА1-003» пошел в серию в 1979 году на фрязинском заводе «Рений», а в 1980 году сборку развернули на мощностях кировского...

Паровые земснаряды в пустыне: как прокладывали Суэцкий канал в XIX веке

В первые годы строительства Суэцкого канала главный инструмент выглядел совсем не как машина индустриального века. Тысячи египетских рабочих стояли в песке и мелкой воде с кирками, корзинами и...

Кто такой хонорик и почему его мех, который в СССР чуть не стал альтернативой соболю, больше не используют


В конце 1970-х годов советская меховая промышленность активно искала новые источники качественной пушнины. Соболь оставался эталоном красоты и престижа, но его разведение и добыча были ограничены....