Önümüzdeki on yılda, kozmik mikrodalga arka planını (CMB) incelemeye yönelik deneylerin özel bir yer tuttuğu birçok büyük ölçekli astrofizik araştırma projesi hayata geçirilecek. Bu projeler, erken Evrenden gelen radyasyonu temsil eden CMB radyasyonunu tespit etmeyi ve incelemeyi amaçlıyor.
Belçika’daki Louvain Katolik Üniversitesi’nden araştırmacılar, Japonya’nın LiteBIRD uydusu veya CMB Aşama 4 (CMB-S4) gözlemevleri tarafından yapılacak kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu gözlemlerinin ilk kez şişme alanı olarak adlandırılan bağıntıyı ölçebileceğini gösterdi. diğer parçacıklara. Bu ölçüm, kozmik enflasyon ile parçacık fiziği arasındaki bağlantıyı incelemeye yardımcı olabilir.
“Parçacık fiziğinin Standart Modelinin en şaşırtıcı yönlerinden biri, yalnızca Dünya’da bulunan tüm temel parçacıkları tanımlamakla kalmayıp, aynı zamanda uzayın uzak bölgelerinde ve ilk çağda meydana gelen süreçlerde işleyecek kadar evrensel görünmesidir. Physical Review Letters’da yayınlanan makalenin iki yazarı Marco Drewes ve Lei Ming, “Büyük Patlamadan birkaç dakika sonra” dedi.
Gözlemlenebilir Evrenin genel homojenliğinin, yaklaşık 14 milyar yıl önce “kozmik enflasyon” adı verilen hızlandırılmış kozmik genişleme aşamasının sonucu olduğuna yaygın olarak inanılmaktadır. Ancak bu hızlanmaya yol açan mekanizmanın doğanın temel teorisiyle ve özellikle parçacık fiziğinin Standart Modeli ile nasıl bir ilişkisi olduğu bilinmiyor.
Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundaki “kozmik yeniden ısınmanın” etkisi önemli bir ipucu sağlayabilir. Kozmik yeniden ısıtma, erken evrenin şişmeye bağlı genişleme nedeniyle soğuduktan sonra sıcak plazmayla doldurulduğu süreçtir. Bu süreç sonuçta bildiğimiz şekliyle Evrenin oluşumuna yol açan “sıcak Büyük Patlama”nın başlangıç koşullarını oluşturdu.
Önceki bazı çalışmalar, CMB verilerini kullanarak Evrenin başlangıç sıcaklığını sınırlama olasılığını zaten araştırmıştı. Ancak Drews ve Ming’in çalışması, bu verilerin CMB ile parçacık fiziği arasındaki bağlantıya ne ölçüde ışık tutabileceğini araştırarak bir adım daha ileri gidiyor.
Yeniden ısıtma, kozmik şişmeden sorumlu alan (yani şişme) ile diğer parçacıklar arasındaki etkileşim tarafından yönlendirilir ve bu nedenle bu etkileşimin gücünü kontrol eden temel eşleşme sabitine duyarlıdır.
“CMB-S4 veya LiteBIRD gibi deneylerin bağlantıyı ilk kez ölçebildiğini gösterdik. Bu, yalnızca Büyük Patlama sırasında ilksel plazmanın başlangıç sıcaklığını ayarlayarak evrenimizin evrimini şekillendirmekle kalmayıp, aynı zamanda kozmik şişme modelleri ile parçacık fiziği teorileri arasındaki bağlantıyı da ortaya çıkarabilen mikrofiziksel bir parametredir. Çalışmamız bu deneylerin fiziğine yeni bir boyut katıyor” dedi Drewes ve Ming.
Yeniden ısıtma sürecini modellemek için araştırmacılar parçacık fiziğine, özellikle kuantum alan teorisine ve istatistiksel mekaniğe dayalı yöntemlerin bir kombinasyonunu kullandılar. Önceki çalışmalarında Drewes ve Ming bunu Schwinger-Keldysh formalizmi olarak bilinen bir yaklaşımı kullanarak başardılar.
Bilim insanları son çalışmalarında, yeni nesil CMB deneylerinin bu ölçümü gerçekten yapıp yapamayacağını belirlemek için bu sonuçları kullandılar. Bunu yapmak için Bayes istatistiklerine dayanan ve gelecekteki dedektörlerin ilkel kütleçekim dalgalarına duyarlılığından yararlanan bir teknik kullandılar.
“Çalışmadaki hassasiyet öncelikle gelecekteki dedektörlerin ilkel kütleçekim dalgalarını tespit etme yeteneğinden kaynaklanmaktadır. Bunlar kozmik şişme modellerinin bir diğer önemli öngörüsüdür ve bunların tespiti, şişme ile diğer parçacıklar arasındaki bağlantıya dair anlayışımızı daha da geliştirebilir” diye açıkladı Drewes ve Ming.
Çalışmanın sonuçları, erken Evrenin anlaşılması ve kozmoloji ile parçacık fiziği arasındaki bağlantının anlaşılması açısından önemli çıkarımlar sağlayabilir. Bu çalışma, yeni nesil CMB deneylerinin fizik vakalarına yeni bir boyut katıyor ve kozmik enflasyonun daha doğru modellerinin geliştirilmesine yardımcı olabilir.