Προσεγγίζοντας το inflaton, την μητέρα του σύμπαντος

Στο σωματίδιο ινφλατον (inflaton) αποδίδεται η δημιουργία του σύμπαντος και η τροφοδοσία του πληθωρισμού της. Πρέπει ακόμα να το ανακαλύψουμε, αλλά γρήγορα εξαντλούνται οι ‘κρυψώνες’ του, χάρη στο θεωρητικό πλαίσιο που είναι γνωστό ως υπερσυμμετρία (SUSY).

Τεράστια και κυρίως εξαφανισμένα, τα υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι οι δεινόσαυροι της σωματιδιακής φυσικής. Κάθε ένα από αυτά τα "υπέρ-σωματίδια" είναι εταίρος ενός γνωστού σωματιδίου, ενώ έχουν ήδη λύσει πολλά κοσμολογικά προβλήματα, όπως την προετοιμασία του εδάφους, για ένα μακροχρόνιο ζήτημα: τη μεγάλη ενοποιημένη θεωρία της φυσικής.

Τελευταία δύο θεωρίες υποδεικνύουν ότι μερικά υπέρ-σωματίδια θα μπορούσαν, επίσης, να είναι συνιστώσες του φευγαλέου σωματιδίου inflaton, που πιστεύεται ότι έχει οδηγήσει τον διαχωρισμό του χωροχρόνου στην αυγή του σύμπαντος.

Σε περίπτωση που η θεωρία αυτή αποδειχθεί σωστή, θα αποτελέσει μια πρώτη εικόνα της κοσμικής διαδικασίας του πληθωρισμού. Επιπλέον, μία από τις νέες θεωρίες σύντομα θα τεθεί σε δοκιμασία με τις συγκρούσεις που συμβαίνουν στον Μεγάλο Επιταχυντή Σωματιδίων (LHC) στο CERN.

Το μεγαλύτερο μέρος της περιόδου του πληθωρισμού καλύπτεται από μυστήριο. Όλοι είμαστε βέβαιοι για το ότι μέσα σε ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν επεκτάθηκε από ένα μέγεθος μικρότερο από το πρωτόνιο σε κάτι, “κάπου μεταξύ μιας μπάλας και ενός γηπέδου ποδοσφαίρου", λέει ο Stefan Antusch του Ινστιτούτου Max Planck για τη Φυσική.

Η ενέργεια που οδήγησε σε μια διαστολή ταχύτερη ακόμα και από την ταχύτητα του φωτός, πιστεύεται ότι έχει αποθηκευτεί σε ένα πεδίο, παρόμοια με ένα μαγνητικό ή βαρυτικό πεδίο. Κάθε πεδίο έχει ένα συνδεδεμένο σωματίδιο, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της φυσικής – τη θεωρία που καλύπτει με επιτυχία όλα τα γνωστά σωματίδια, καθώς και τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις που ενεργούν πάνω τους. Στην περίπτωση του πεδίου που νομίζουμε ότι έχει προωθήσει τον πληθωρισμό, οι φυσικοί έχουν πολύ εύστοχα ονομάσει αυτό το σωματίδιο, inflaton.

Αν και λίγα είναι γνωστά γι’ αυτό, αν υπάρχει βέβαια, το inflaton πρέπει να έχει δημιουργήσει όλα την ύλη μέσα στο σύμπαν, από την ενέργεια που αποθηκεύθηκε στο πεδίο της, γι αυτό και ο Stefan Antusch το ονομάζει "μητέρα του σύμπαντος”. Θα πρέπει επίσης να είναι συνεπές με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Γι αυτό, μερικοί φυσικοί που προσπαθούν να συναρμολογήσουν την ταυτότητα του inflaton, έχουν στραφεί στην θεωρία SUSY, η οποία αποτελεί επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Προηγουμένως είχε διατυπωθεί η άποψη ότι ο πληθωρισμός οδηγήθηκε από το σωματίδιο Higgs – το σωματίδιο που θεωρείται ότι έδωσε σε όλα τα άλλα σωματίδια τη μάζα τους – μαζί με ένα υπερσυμμετρικό συνεργό του.

Τώρα αυτή η άποψη έχει ισχυρό ανταγωνισμό από άλλα δύο μοντέλα του inflaton βασισμένα στην SUSY, που και οι δύο παρουσιάστηκαν στο Διεθνές Εργαστήριο για τη διασύνδεση μεταξύ Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων και Κοσμολογίας τον Ιούλιο.

Ένα από αυτά τα μοντέλα, που επινοήθηκε από την ομάδα του Antusch, λαμβάνει υπόψη τη Μεγάλη Ενοποίηση που υποστηρίζει η SUSY: σε αυτήν την θεωρία του πρώιμου σύμπαντος, οι υπερ-υψηλές ενέργειες μεσολάβησαν ώστε η ηλεκτρομαγνητική δύναμη να ενωθεί με την ισχυρή και ασθενή πυρηνική δύναμη, ενώ κάθε σωματίδιο και υπερ-σωματίδιο γίνεται διακριτό από όλα τα άλλα σωματίδια. Αυτό το «ενοποιών» σωματίδιο είναι ένα καλό εν δυνάμει υποψήφιο σωματίδιο για το inflaton.

Λύση στο πρόβλημα του inflaton

Μέχρι πρόσφατα, ωστόσο, στην ιδέα αυτή έλειπε ακόμα ένα κρίσιμο συστατικό. Για να ωθήσει σε διαστολή τον χωροχρόνο, το πεδίο του inflaton πρέπει να διατηρεί μια δυναμική ενέργεια σε ένα φαινομενικά κενό χώρο, γνωστή ως ενέργεια του κενού. Αλλά οι φυσικοί ήταν από καιρό πεπεισμένοι ότι ένα ενοποιημένο σωματίδιο θα εγκατέλειπε πάρα πολύ γρήγορα την ενέργεια του πεδίου του, με αποτέλεσμα να μην έχουμε πληθωρισμό.

Τώρα όμως ο Antusch και οι συνεργάτες του έχουν βρει έναν τρόπο για να παρατείνουν τον χρόνο στον οποίο το πεδίο διατηρεί μια υψηλή ενέργεια του κενού, παρατείνοντας έτσι την περίοδο κατά την οποία το ενοποιημένο σωματίδιο είναι σχεδόν άμαζο.

Η μέθοδός τους στηρίζεται σε μια μαθηματική συμμετρία που βρίσκεται συχνά σε θεωρίες χορδών. Αυτή την καθιστά κομψή και λογική, και ως εκ τούτου ελκυστική. Ωστόσο ο Rabindra Mohapatra του Πανεπιστημίου του Μέρυλαντ έχει αμφιβολίες. «Οι συμμετρίες είναι δύσκολο να δοκιμαστού,» προειδοποιεί.

Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB) – το κατάλοιπο της ακτινοβολίας από το big bang – μπορεί όμως να μας προσφέρει κάποιες ενδείξεις. Παρατηρήσεις από τον δορυφόρο Planck, που μετρά το CMB, μπορεί να αποκαλύψει σημάδια βαρυτικών κυμάτων που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Στην περίπτωση αυτή, τα όποια σημάδια θα απέκλειαν την θεωρία του Antusch, επειδή τα προβλεπόμενα κύματα της είναι πάρα πολύ μικρά για να μπορέσει ο Planck να τα αποκαλύψει, αλλά οι μελλοντικές ανιχνευτές των βαρυτικών κυμάτων μπορεί να είναι σε θέση να τα εντοπίσουν.

Λύση με την SUSY

Για την ανταγωνιστική θεωρία με βάση το μοντέλο SUSY, που αναπτύχθηκε από τον Rouzbeh Allahverdi στο Πανεπιστήμιο του Νέου Μεξικού και τους συνεργάτες του, η δυνατότητα δοκιμών δεν περιορίζεται σε φαινόμενα στο βαθύ διάστημα – αυτή μπορεί να την δοκιμάσει μέσα από τις συγκρούσεις σωματιδίων που ήδη συμβαίνουν στον LHC. Κι αυτό συμβαίνει διότι, σε αντίθεση με το μοντέλο του Antusch, ο πληθωρισμός γίνεται πολύ πιο κάτω από τις κλίμακες ενέργειας που απαιτούνται για την Μεγάλη Ενοποίηση. Αυτό θέτει τα όρια σχετικά με τη μάζα του inflaton μεταξύ 0,1 και 1 τρισεκατομμύρια eV, εντός των 14 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ, που είναι η ικανότητα του LHC.

Επίσης, αυτό σημαίνει ότι τα σωματίδια δεν είναι τα ενοποιημένα όπως στο μοντέλο του Antusch, αλλά είναι ξεχωριστές οντότητες που μπορούν να θεωρηθούν ως ενεργητικά σημεία σε διαφορετικά πεδία. Έτσι, κάθε ηλεκτρόνιο μπορεί να θεωρηθεί ως μια διέγερση του πεδίου του ηλεκτρονίου και κάθε s-ηλεκτρόνιο – ο υπερσυμμετρικός εταίρος του ηλεκτρονίου – ως διέγερση του πεδίου s-electron.

Η ομάδα του Rouzbeh Allahverdi υπέθεσε ότι το inflaton μπορούσε να είχε παραχθεί από μια διέγερση σε ένα συνδυασμό του γνωστού s-particle και σωματιδιακών πεδίων, με τέτοιο συνδυασμό που θα μπορούσε να διατηρήσει ένα αρκετά υψηλό επίπεδο ενέργειας για αρκετό χρόνο με σκοπό να οδηγήσει σε διαστολή το σύμπαν.

Βρήκαν λοιπόν δύο επιλογές, οι οποίες εμπλέκουν τα πεδία των s-particle: εκείνη που πραγματοποιείται από τους υπερ-εταίρους των σωματιδίων σαν τα ηλεκτρόνια, και μία άλλη που κατασκευάζεται από τους υπερ-εταίρους των κουάρκς, που απαρτίζουν ένα νετρόνιο.

Και στα δύο σενάρια, τα συνιστώσα πεδία συνδέονται ισχυρά κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, προσφέροντας την ενέργεια που χρειάζεται για να οδηγηθεί η διαστολή. Τελικά τα πεδία αποσυνδέονται, τελειώνει ο πληθωρισμός και το inflaton ακτινοβολεί ενέργεια με τη μορφή σωματιδίων, δημιουργώντας το περιεχόμενο του σύμπαντος. Η τελευταία αυτή έκδοση του μοντέλου τους, πρόκειται να δημοσιευθεί στο Physical Review D.

Ο Keith Olive στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότας δεν μπορεί να ανεχθεί τις πολλές συγκεκριμένες ρυθμίσεις για τις παραμέτρους στις οποίες στηρίζεται η θεωρία, που οι ίδιες είναι ακόμα σε μεγάλο βαθμό άγνωστες. "Αν και θα ήταν ωραίο να είναι σε θέση να συνδέσει τον πληθωρισμό με την «χαμηλή ενέργεια» της φυσικής, τα μοντέλα έρχονται με πολύ υψηλή τιμή," ποστηρίζει.

Όμως, ο Mohapatra επισημαίνει την δύναμη της θεωρίας του: “Έχει την δυνατότητα να συνδέει πολύ αφηρημένες ιδέες του πρώιμου σύμπαντος με πειραματικές δοκιμές." Ο επιταχυντής LHC δεν θα βρει το ίδιο το inflaton, αλλά μπορεί να μας αποκαλύψει τις μάζες των sparticles που νομίζουμε ότι το συνθέτουν, γεγονός που θα επιτρέψει στη θεωρία Allahverdi να δοκιμαστεί.

Ο Mohapatra χαρακτηρίζει τις δύο νέες θεωρίες σαν τα στρατόπεδα, το καθένα με τις δικές της δυνάμεις: Ο Allahverdi χτίζει το inflaton από σωματίδια που εξακολουθούν να υφίστανται, ενώ αυτό του Antusch απορρέει από συνθήκες που πιστεύεται ότι υπήρχαν στο πρώιμο σύμπαν. Αποτελέσματα που ευνοούν είτε τη μία είτε την άλλη δεν θα βοηθήσουν μόνο να ξετυλιχθεί η διαδικασία του πληθωρισμού, αλλά και θα ρίξουν φως σχετικά με τη φύση των εν λόγω περίεργων ‘δεινοσαύρων’ σωματιδίων.

Πηγή: New Scientist

Βασικές Γνώσεις

Το inflaton

Για να δικαιολογήσει την ταχεία διαστολή, η κοσμολογία, χρησιμοποιεί μια νέα ιδέα που προέρχεται από την σωματιδιακή φυσική: το πεδίο inflaton.

Στην σύγχρονη φυσική τα στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και ηλεκτρόνια, αναπαρίστανται από κβαντικά πεδία, τα οποία προσομοιάζουν στα γνώριμα ηλεκτρικά, μαγνητικά και βαρυτικά πεδία. Ένα πεδίο είναι απλά μια συνάρτηση του χώρου και του χρόνου, της οποίας οι ταλαντώσεις ερμηνεύονται ως σωματίδια.

Τα πεδία αυτά ευθύνονται για τη διάδοση των δυνάμεων. Το πεδίο inflaton συγκεκριμένα μεταδίδει μια δύναμη "αντιβαρύτητας" που διαστέλλει τον χωρόχρονο.

Πληθωρισμός

Για ένα πολύ σύντομο χρονικό διάστημα στις απαρχές του Κόσμου η επίδραση του πληθωρισμού είχε σαν αποτέλεσμα την εκθετική διαστολή του σύμπαντος.

Το σύμπαν δηλαδή διπλασιάζεται σε μέγεθος συνεχώς, κάθε 10^-34 του δευτερολέπτου που περνάει. Αλλά αν το Σύμπαν διπλασιάζεται κάθε 10^-34 του δευτερολέπτου, τότε 10^-33 του δευτερόλεπτα μετά τη στιγμή της δημιουργίας, ο δεδομένος όγκος έχει υποστεί διπλασιασμό 10 φορές και αυξάνεται σε μέγεθος με ένα συντελεστή της τάξης του 2¹⁰⁰. Σε ελάχιστο χρόνο μια περιοχή 10^-32 φορές μικρότερη από ένα πρωτόνιο (περίπου 10^-48 εκατοστά) μπορεί να διογκωθεί — απ’ αυτό προήλθε και η ονομασία του μοντέλου — και να γίνει μια περιοχή με διάμετρο 10 εκατοστά, αντίστοιχη δηλαδή με το χώρο που καταλαμβάνει ένα γκρέηπφρουτ. Ή για να καταλάβουμε το μέγεθος της διαστολής φαντασθείτε ένα μπιζέλι (με ακτίνα 1 εκατοστό) να καταλάβει τον χώρο του δικού μας Γαλαξία.

Αν δεν υπήρχε ο πληθωρισμός αντί για την αύξηση της ακτίνας του σύμπαντος κατά 10⁵⁰φορές – μέσα σε 10^-32του δευτερολέπτου – το σύμπαν θα είχε αυξηθεί μόνο κατά 30 φορές!

Μία από τις πιο παράξενες ιδιότητες του πληθωρισμού είναι ότι έδρασε ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Το φως χρειάζεται 30 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου για να διασχίσει ένα εκατοστό, ο πληθωρισμός όμως διαστέλλει το σύμπαν από μια διάμετρο πολύ-πολύ μικρότερη αυτής του πρωτονίου σε διάμετρο 10 cm σε χρόνο 15 Χ 10^-33 sec. Οι υπολογισμοί δείχνουν μια ταχύτητα διαστολής 100 φορές μεγαλύτερη από του φωτός. Κάτι τέτοιο επιτρέπεται από τη σχετικότητα γιατί δεν κινείται η ύλη, αλλά διαστέλλεται ο ίδιος ο χωροχρόνος.

Υπερσυμμετρικά σωματίδια

"Με τεράστια μάζα και κυρίως εξαφανισμένα, παρόλα αυτά είναι ικανά να μετατραπούν σε ελαφρά σωματίδια που επιβιώνουν σήμερα, τα υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι οι δεινόσαυροι της σωματιδιακής φυσικής.

"Μέσω του θεωρητικού πλαισίου που υπερσυμμετρία (SUSY), αυτά τα "s-particles"- το καθένα από τα οποία είναι εταίρος κάποιου γνωστού σωματιδίου – έχει ήδη λύσει πολλά κοσμολογικά προβλήματα, μεταξύ των οποίων να προετοιμάζει το έδαφος για μια, που αναζητείται εδώ και πολύ καιρό με αγωνία, Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία της Φυσικής.

"Τώρα λοιπόν δυο θεωρίες υποδεικνύουν ότι μερικά υπερ-συμμετρικά σωματίδια θα μπορούσαν, επίσης, να είναι συνιστώσες του φευγαλέου σωματιδίου inflaton, το σωματίδιο που πιστώνεται ότι οδήγησε τον χωρόχρονο σε μια υπερ-φωτεινή διαστολή στην αυγή του σύμπαντος."

Απεγνωσμένη αναζήτηση της SUSY

Το gluino – ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο εταίρος του γκλουονίου – ίσως γεννιέται μέσα στα συντρίμμια της σύγκρουσης των πρωτονίων στον Μεγάλο Επιταχυντή.

Η θεωρία μας λέει ότι τότε διασπάται σε γκλουόνια και κουάρκ, τα οποία παράγουν ανιχνεύσιμους «πίδακες» που εμφανίζονται ως κώνοι ενέργειας στις οθόνες του ανιχνευτή CMS (Compact Muon Solenoid). Όμως, η διαδικασία αυτή είναι εκτός συγχρονισμού με τις άλλες συγκρούσεις, κάνοντας έτσι το σήμα του gluino να ξεχωρίζει.

Πολλοί υποστηρικτές της θεωρίας της υπερσυμμετρίας (SUSY) ελπίζουν ότι αυτό το σενάριο θα εξελιχθεί μέσα σε ένα χρόνο από τώρα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, εκεί που βρίσκεται ο ανιχνευτής CMS. Συνεπώς, θα αποτελούσε το πρώτο ισχυρό αποδεικτικό στοιχείο για την θεωρία SUSY, που δίνει ένα κρυμμένο υπερ-εταίρο για κάθε γνωστό σωματίδιο και υπόσχεται να λύσει ορισμένα μεγάλα μυστήρια.

susy Αριστερά τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου και δεξιά οι υπερ-εταίροι τους στο μοντέλο SUSY

Η gluino (γκλουίνο) είναι ο υποθετικός έως τώρα υπερ-εταίρος του γκλουονίου, που μαζί με τα κουάρκ βρίσκονται στους πυρήνες. Είναι ένα από τα πολλή s-particles που θα μπορούσαν να υλοποιηθούν στον LHC. Αλλά το αναμενόμενο σαφές μήνυμα του και η εν δυνάμει μεγάλη αφθονία του σημαίνει ότι μπορεί να το δούμε νωρίτερα από τα υπόλοιπα.

Αυτός είναι και ένας λόγος για τον οποίο οι φυσικοί έχουν επιλέξει να μελετήσουν τα gluinos.

Ήδη, ο ανιχνευτής CMS άρχισε να μας δίνει δεδομένα που επιτρέπουν στους φυσικούς να μπορούν να βρουν τη μάζα του gluino – ένα πρώτο βήμα προς την ταυτοποίηση ή στον αποκλεισμό της ύπαρξής του.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα