Fysiker utnyttjar en direkt koppling mellan de största kosmiska strukturerna och de minsta kända objekten för att använda universum som en "kosmologisk kolliderare" och undersöka ny fysik.

Den tredimensionella kartan över galaxer i hela kosmos och den överblivna strålningen från Big Bang-kallad kosmisk mikrovågsbakgrund (CMB)-är de största strukturerna i universum som astrofysiker observerar med hjälp av teleskop. Subatomiska elementära partiklar, å andra sidan, är de minsta kända objekten i universum som partikelfysiker studerar med hjälp av partikelkolliderare.

Ett team inklusive Xingang Chen från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang från Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) och Zhong-Zhi Xianyu från Center for Mathematical Sciences and Applications vid Harvard University har använt dessa extrema storlekar för att undersöka grundläggande fysik på ett innovativt sätt. De har visat hur elementärpartiklarnas egenskaper i standardmodellen för partikelfysik kan utläsas genom att studera de största kosmiska strukturerna. Denna koppling görs genom en process som kallas kosmisk inflation.

Kosmisk inflation är det mest accepterade teoretiska scenariot för att förklara vad som föregick Big Bang. Denna teori förutsäger att universums storlek expanderade med en extraordinär och accelererande hastighet under den första flyktiga bråkdelen av en sekund efter att universum skapades. Det var en mycket energisk händelse, under vilken alla partiklar i universum skapades och interagerade med varandra. Detta liknar den miljö fysiker försöker skapa i markbaserade kolliderare, med undantag för att dess energi kan vara 10 miljarder gånger större än alla kolliderare som människor kan bygga.

Inflationen följdes av Big Bang, där kosmos fortsatte att expandera i mer än 13 miljarder år, men expansionstakten avtog med tiden. Mikroskopiska strukturer skapade i dessa energiska händelser sträckte sig över hela universum, vilket resulterade i områden som var något tätare eller mindre täta än omgivande områden i det annars mycket homogena tidiga universum. När universum utvecklades, de tätare regionerna lockade mer och mer materia på grund av gravitationen. Så småningom, de första mikroskopiska strukturerna utsäde den stora strukturen i vårt universum, och bestämde platserna för galaxer i hela kosmos.

I markbaserade kolliderare, fysiker och ingenjörer bygger instrument för att läsa resultaten av de kolliderande händelserna. Frågan är då hur vi ska läsa resultaten av den kosmologiska kollideraren.

"Många år sedan, Yi Wang och jag, Nima Arkani-Hamed och Juan Maldacena från Institute of Advanced Study, och flera andra grupper, upptäckte att resultaten av denna kosmologiska kolliderare är kodade i statistiken över de initiala mikroskopiska strukturerna. Medan tiden går, de blir präglade i statistiken över den rumsliga fördelningen av universums innehåll, som galaxer och den kosmiska mikrovågsbakgrunden, som vi observerar idag, "sade Xingang Chen." Genom att studera egenskaperna hos denna statistik kan vi lära oss mer om egenskaperna hos elementära partiklar. "

Som i markbaserade kolliderare, innan forskare utforskar ny fysik, det är avgörande att förstå beteendet hos kända grundpartiklar i denna kosmologiska kolliderare, som beskrivs av standardmodellen för partikelfysik.

"Det relativa antalet grundläggande partiklar som har olika massor - det vi kallar masspektrum - i standardmodellen har ett speciellt mönster, som kan ses som standardmodellens fingeravtryck, "förklarade Zhong-Zhi Xiangyu." Men detta fingeravtryck ändras när miljön förändras, och skulle ha sett väldigt annorlunda ut vid inflationstiden än hur det ser ut nu. "

Teamet visade hur massmodellen för standardmodellen skulle se ut för olika inflationsmodeller. De visade också hur detta masspektrum präglas av utseendet på vårt universums storskaliga struktur. Denna studie banar väg för framtida upptäckt av ny fysik.

"De pågående observationerna av CMB och storskalig struktur har uppnått imponerande precision från vilken värdefull information om de ursprungliga mikroskopiska strukturerna kan extraheras, "sa Yi Wang." I denna kosmologiska kolliderare, varje observationssignal som avviker från den som förväntas för partiklar i standardmodellen skulle då vara ett tecken på ny fysik. "

Den nuvarande forskningen är bara ett litet steg mot en spännande tid då precisionskosmologi kommer att visa sin fulla kraft.

"Om vi ​​har turen att observera dessa avtryck, vi skulle inte bara kunna studera partikelfysik och grundläggande principer i det tidiga universum, men också bättre förstå själva den kosmiska inflationen. I detta avseende det finns fortfarande ett helt universum av mysterier att utforska, "sa Xianyu.

Denna forskning beskrivs i ett papper publicerat i tidskriften Fysiska granskningsbrev den 29 juni, 2017, och förtrycket finns tillgängligt online.