В течение следующего десятилетия будут реализованы несколько крупномасштабных астрофизических исследовательских проектов, среди которых особое место занимают эксперименты по исследованию космического микроволнового фона (CMB). Эти проекты направлены на обнаружение и изучение излучения CMB, которое представляет собой излучение ранней Вселенной.
Исследователи из Католического университета Лувена в Бельгии продемонстрировали, что предстоящие наблюдения за реликтовым излучением с помощью японского спутника LiteBIRD или обсерваторий CMB Stage 4 (CMB-S4) могут впервые измерить связь так называемого поля инфлатона с другими частицами. Это измерение может помочь изучить связь между космической инфляцией и физикой элементарных частиц.
«Одним из самых удивительных аспектов Стандартной модели физики элементарных частиц является то, что она не только описывает все элементарные частицы, обнаруженные на Земле, но и кажется достаточно универсальной, чтобы действовать в отдалённых областях космоса и в процессах, которые происходили в первые мгновения после Большого взрыва», — рассказали Марко Древес и Лэй Мин, два автора статьи, опубликованной в Physical Review Letters.
Широко распространено мнение, что общая однородность наблюдаемой Вселенной является результатом фазы ускоренного космического расширения, названной «космической инфляцией» около 14 миллиардов лет назад. Однако неизвестно, как механизм, который привёл к этому ускорению, связан с фундаментальной теорией природы, и особенно со Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Важный ключ может дать отпечаток «космического повторного нагрева» в реликтовом излучении.
Космический повторный нагрев — это процесс, посредством которого ранняя вселенная была заполнена горячей плазмой после её охлаждения в результате инфляционного расширения. Этот процесс в конечном итоге установил начальные условия для «горячего Большого взрыва», что привело к образованию Вселенной, какой мы её знаем.
Некоторые предыдущие исследования уже изучали возможность ограничения начальной температуры Вселенной с использованием данных CMB. Однако исследование Дрюза и Минга делает ещё один шаг вперёд, исследуя, в какой степени эти данные могут содержать понимание связи между CMB и физикой частиц.
Повторный нагрев обусловлен взаимодействием между полем, ответственным за космическую инфляцию (т. е. инфлатоном), и другими частицами, и, следовательно, чувствителен к фундаментальной константе связи, которая управляет силой этого взаимодействия.
«Мы показали, что эксперименты, такие как CMB-S4 или LiteBIRD, впервые могут измерить связь. Это микрофизический параметр, который не только сформировал эволюцию нашего космоса, установив начальную температуру первичной плазмы во время Большого взрыва, но также может рассказать о связи между моделями космической инфляции и теориями физики элементарных частиц. Наша работа добавляет новый аспект к физическим аспектам этих экспериментов», — заявили Древес и Минг.
Для моделирования процесса повторного нагрева исследователи использовали комбинацию методов, основанных на физике элементарных частиц, в частности, квантовой теории поля и статистической механике. В своих предыдущих работах Древес и Минг достигли этого, используя подход, известный как формализм Швингера-Келдыша.
В рамках своего недавнего исследования учёные использовали эти результаты, чтобы определить, смогут ли эксперименты CMB следующего поколения на практике выполнить это измерение. Для этого они использовали технику, основанную на байесовской статистике, эксплуатируя чувствительность будущих детекторов к первичным гравитационным волнам.
«Чувствительность в исследовании в первую очередь обусловлена способностью будущих детекторов обнаруживать первичные гравитационные волны. Они являются ещё одним важным предсказанием моделей космической инфляции, и их обнаружение может дополнительно улучшить понимание связи между инфлатоном и другими частицами», — пояснили Древес и Минг.
Результаты исследования могут иметь важные последствия для понимания ранней Вселенной и связи между космологией и физикой элементарных частиц. Эта работа добавляет новый аспект к физическим случаям экспериментов CMB следующего поколения и может помочь в разработке более точных моделей космической инфляции.