Новости науки: Ученые заявляют, что лёгкого инфлатона не существует.

Июн 12, 2017 Леонид Гляделов

Большой взрыв, инфляция и расширение Вселенной.

В первые минуты после Большого Взрыва Вселенная расширялась в миллиарды раз быстрее, чем сегодня.

Такое быстрое расширение, вероятно, связано с изначальным силовым полем, и его частицей - инфлатоном . Из последнего анализа распада мезонов, проведенного в эксперименте LHCb физиками из Кракова и Цюриха, представляется, однако, что наиболее вероятный легкий инфлатон, частица с характеристиками знаменитого бозона Хиггса, но менее массивная, почти наверняка не существует.

Сразу после Большого Взрыва, Вселенная, вероятно, испытала на себе экстремальное расширение. Если инфляция действительно произошла, то за нее должно отвечать новое взаимодействие. Предполагается, что переносчиком инфляции являются до сих пор необнаруженные инфлатоны, которые должны иметь много особенностей, напоминающих знаменитый бозон Хиггса.

Физики из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове и Цюрихского университета (UZH) искали следы легких инфлатонов в распаде B+ мезонов, регистрируемых детекторами в эксперименте LHCb в CERN , Однако детальный анализ данных ставит под сомнение существование легких инфлатонов.

Несмотря на то, что гравитационное взаимодействие самое слабое из всех, гравитация влияет на внешний вид Вселенной в самых крупных масштабах. Как следствие, все современные космологические модели основаны на лучшей теории гравитации, ОТО Альберта Эйнштейна. Первые космологические модели, построенные на теории относительности, предполагают, что Вселенная была динамичным творением. Сегодня мы знаем, что когда-то Вселенная была чрезвычайно густой и жаркой и примерно 13,8 миллиарда лет назад она начал быстрое расширение. Теория относительности предсказывает ход этого процесса, начиная с долей секунды после Большого взрыва.

«Первичным свидетельством этих событий является излучение микроволнового фона, которое сформировалось через несколько сотен тысяч лет после Большого Взрыва. В настоящее время оно соответствует температуре около 2,7К и равномерно заполняет всю Вселенную. Именно эта однородность является большой загадкой» , - говорит д-р Марсин Чжащ (IFJ PAN) и объясняет: «Когда мы смотрим в небо, фрагменты дальнего космоса, видимые в одном направлении, могут быть настолько далеки от тех, которые видны в другом направлении, что свет еще не успел достичь друг друга, поэтому ничто, что произошло в одной из этих областей, не должно влиять на другое. Но куда бы мы не обратили взор, температура отдаленных областей космоса почти одинаковая. Как она могла стать такой однородной?»

Однородность микроволнового фонового излучения ( РИ ) объясняется механизмом, предложенным Аланом Гутом в 1981 году. В своей модели Вселенная первоначально медленно расширялась, и все точки, наблюдаемые сегодня, имели время для взаимодействия и выравнивания температуры. Однако, по словам Гут, в какой-то момент времени должно было быть очень короткое, но чрезвычайно быстрое расширение пространства-времени. Новая сила, ответственная за этот процесс, называемый инфляцией, расширила Вселенную до такой степени, что сегодня она демонстрирует замечательную однородность (в отношении температуры космологического микроволнового фона).

«Новое поле всегда означает существование частицы, которая является носителем этого поля. Таким образом, космология стала интересной для физиков, изучающих явления в квантовом микромире. Долгое время хорошим кандидатом на инфлатон был знаменитый бозон Хиггса, но в 2012 году бозон Хиггса, наконец, был обнаружен на ускорителе LHC и оказался слишком тяжелым для инфлатона. Если бы бозон Хиггса, с его массой, отвечал за инфляцию, сегодняшнее реликтовое излучение отличалось бы от того, что в настоящее время наблюдается COBE, WMAP и Planck (космические телескопы изучающие РИ. ред.)» , - говорит д-р Chrzaszcz.

Теоретики предложили решение этой удивительной ситуации: инфлатон может быть совершенно новой частицей со свойствами бозона Хиггса, но с меньшей массой. В квантовой механике идентичные характеристики заставляют частицы колебаться - они циклически трансформируются друг в друга. Созданная таким образом модель инфляции имела бы только один параметр, описывающий частоту колебаний / трансформаций между инфлатоном и бозоном Хиггса.

«Масса нового инфлатона может быть достаточно малой для того, чтобы частица появилась в распаде В+ мезонов. Поэтому мы решили искать распад мезонов, происходящих в результате взаимодействия с инфлатоном в данных, собранных в БАК в 2011-2012 годах» , - говорит PhD Андреа Маури.

Если бы на самом деле существовали легкие инфлатоны, то B+ мезон иногда распадался бы на каон (K+ мезон) и бозон Хиггса, которая превратилась бы в инфлатон в результате колебаний. Пройдя несколько метров в детекторе, инфлатон распался на две элементарные частицы: мюон и антимюон. Детекторы эксперимента LHCb не регистрировали присутствие ни Хиггса, ни инфлатона. Однако исследователи ожидали увидеть эмиссию каонов и появление мюон-антимюоновых пар соответственно.

«В зависимости от параметра, описывающего частоту колебания инфлатон-хиггсов, ход распада B+ мезона должен быть несколько иным. В нашем анализе мы искали распады до 99% возможных значений этого параметра, - и мы Мы ничего не обнаружили. Поэтому мы можем с большой уверенностью сказать, что легкого инфлатона просто не существует» , - говорит д-р Хржащ.

Теоретически, маломассивные инфлатоны все еще могут быть скрыты в 1 проценте неисследованных колебаний. Эти случаи в конечном итоге будут исключены из будущих анализов с использованием новых данных, которые в настоящее время собираются на LHC. Однако физикам необходимо примириться с идеей о том, что если существуют инфляционные часицы, они либо более массивны, чем считалось ранее, либо встречаются в нескольких вариантах.