Kosmiczna inflacja: Higgs żegna się ze swoim „mniejszym bratem”

W pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu Wszechświat mógł się rozszerzać nawet miliardy miliardów miliardów razy szybciej niż obecnie. Jeśli taka inflacja faktycznie się wydarzyła, powinno za nią odpowiadać nowe pole sił. Jego nośnikami byłyby hipotetyczne cząstki, inflatony, które pod wieloma cechami powinny przypominać słynne bozony Higgsa. Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie i Uniwersytetu w Zurychu (UZH) poszukiwali śladów lekkich inflatonów w rozpadach mezonów pięknych, zarejestrowanych przez detektory eksperymentu LHCb w CERN pod Genewą. Szczegółowa analiza danych stawia jednak istnienie lekkich inflatonów pod dużym znakiem zapytania.

Kiedyś Wszechświat był niezwykle gęsty i gorący, a 13,8 miliarda lat temu nagle zaczął ekspandować. Teoria względności pozwala odtworzyć przebieg tego procesu począwszy od ułamków sekund po Wielkim Wybuchu. – Jedną z najwcześniejszych widocznych do dziś pozostałości po tych wydarzeniach jest mikrofalowe promieniowanie tła, które uformowało się kilkaset tysięcy lat po Wielkim Wybuchu. Obecnie odpowiada ono temperaturze około 2,7 kelwina i bardzo jednorodnie wypełnia cały Wszechświat. Właśnie ta jednorodność okazała się wielką zagadką – mówi dr inż. Marcin Chrząszcz (IFJ PAN)

– Gdy patrzymy w niebo, fragmenty głębokiego kosmosu widoczne w jednym kierunku mogą być tak odległe od widocznych w innym kierunku, że światło nie miało jeszcze czasu, żeby między nimi przelecieć. Zatem nic, co wydarzyło się w jednym z tych obszarów, nie powinno mieć wpływu na drugi. Lecz gdziekolwiek nie spojrzymy, temperatura odległych regionów kosmosu jest zawsze niemal identyczna! W jaki sposób mogła się tak ujednolicić? – pyta badacz.

Jednorodność mikrofalowego promieniowania tła tłumaczy się mechanizmem zaproponowanym przez Alana Gutha w 1981 roku. W jego modelu Wszechświat początkowo rozszerza się wolno i jego wszystkie dziś obserwowane fragmenty mają czas, by wejść w interakcje i wyrównać temperaturę. Według Gutha w pewnym momencie musiało jednak dojść do bardzo krótkiej, lecz niezwykle gwałtownej ekspansji czasoprzestrzeni – nawet wiele miliardów miliardów miliardów razy szybszej od obecnej. Odpowiedzialne za tę inflację nowe pole sił tak rozdęło Wszechświat, że dziś jego różne części są rozdzielone przyczynowo.

– Nowe pole zawsze oznacza istnienie cząstki będącej nośnikiem oddziaływania. Kosmologia stała się więc interesująca dla fizyków badających zjawiska w mikroskalach. Przez długi czas dobrym kandydatem na inflaton wydawał się słynny bozon Higgsa. Ale gdy w 2012 roku cząstka ta została wreszcie zaobserwowana w europejskim akceleratorze LHC, okazało się, że ma za dużą masę. Gdyby bozon Higgsa z taką masą odpowiadał za inflację, dzisiejsze promieniowanie reliktowe wyglądałoby inaczej niż obecnie zarejestrowane przez satelity COBE, WMAP i Planck – stwierdza dr Chrząszcz.

Teoretycy zaproponowali rozwiązanie tej zaskakującej sytuacji: inflatonem miałaby być zupełnie nowa cząstka, o właściwościach bozonu Higgsa, lecz wyraźnie mniejszej masie. W mechanice kwantowej identyczność cech powoduje, że cząstki mogą oscylować: cyklicznie przekształcają się jedna w drugą. Model inflacji z tak skonstruowanym inflatonem miałby tylko jeden parametr, opisujący częstość przemian obu cząstek.

– Masa nowego inflatonu mogłaby być wystarczająco mała, by cząstka pojawiała się w rozpadach mezonów pięknych B+. A mezony piękne to cząstki rejestrowane w dużych ilościach w ramach eksperymentu LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Postanowiliśmy więc poszukać rozpadów mezonów z udziałem inflatonu w danych zebranych w LHC w latach 2011-12 – mówi doktorant Andrea Mauri (UZH).

Gdyby lekki inflaton rzeczywiście istniał, mezon piękny B+ mógłby się niekiedy rozpadać na kaon (mezon K+) oraz cząstkę Higgsa, która w wyniku oscylacji przekształcałaby się w inflaton. Po przebyciu kilku metrów w detektorze inflaton rozpadałby się na dwie cząstki elementarne: mion i antymion. Detektory eksperymentu LHCb nie zarejestrowałby obecności ani higgsa, ani inflatonu. Badacze z IFJ PAN spodziewali się jednak zobaczyć emisję kaonów oraz pojawianie się odpowiednio dalej par mion-antymion.

– W zależności od parametru opisującego częstość oscylacji inflaton-higgs, przebieg rozpadów mezonów B+ powinien być nieco inny. W naszej analizie szukaliśmy rozpadów obejmujących aż 99 proc. możliwych wartości tego parametru – i nic nie znaleźliśmy. Z dużą pewnością możemy więc powiedzieć, że lekki inflaton po prostu nie istnieje – stwierdza dr Chrząszcz.

Teoretycznie inflaton o małej masie wciąż może się ukrywać w jednym procencie niezbadanych wariantów oscylacji – te przypadki zostaną ostatecznie wykluczone przez przyszłe analizy z użyciem nowszych, właśnie zbieranych danych z akceleratora LHC.

Fizycy muszą się jednak powoli oswajać z myślą, że jeśli inflaton istnieje, jest cząstką bardziej masywną niż sądzono lub występuje w więcej niż jednej odmianie. Jeśli jednak z czasem i te warianty okażą się nie odpowiadać rzeczywistości, inflacja, tak dobrze tłumacząca obserwowaną jednorodność Wszechświata, stanie się – bardzo dosłownie – największą zagadką współczesnej kosmologii.

Badania w IFH PAN zrealizowano dzięki środkom z Narodowego Centrum Nauki.