Cosmology Of The Higgs Boson

Η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN το 2012 έχει βαθιές επιπτώσεις για το σύμπαν μας. Το μποζόνιο Higgs ήταν το τελευταίο κομμάτι του τυπικού μοντέλου που έλειπε ακόμα. Αυτή η ανακάλυψη επιβεβαίωσε την εγκυρότητα του τυπικού μοντέλου που πρότειναν οι Glashow (1961), Salam και Weinberg (1967), πολύ πριν γεννηθούν οι περισσότεροι ενεργοί φυσικοί των σωματιδίων. Αν και αυτό το μοντέλο είναι εξαιρετικά επιτυχημένο και έχει περάσει όλες τις πειραματικές δοκιμές μέχρι σήμερα, έχει επίσης κάποιες σοβαρές δυσκολίες όταν εξετάζεται σε ένα κοσμολογικό περιβάλλον.

Οι ακριβείς μετρήσεις των παραμέτρων του τυπικού μοντέλου υποδηλώνουν ότι το κενό στο οποίο βρίσκεται το σύμπαν δεν είναι το απόλυτο ελάχιστο και ότι υπάρχει χαμηλότερο κενό. Η κβαντομηχανική μας διδάσκει ότι το σύμπαν μας θα πρέπει να περάσει από το ψευδές κενό στο πραγματικό ελάχιστο με καταστροφικές συνέπειες για το σύμπαν.

Εάν συνέβαινε αυτό, το σύμπαν μας θα ήταν πολύ διαφορετικό και οι νόμοι της φύσης δεν θα ήταν αυτοί που επαληθεύουμε με πειράματα και παρατηρήσεις σε καθημερινή βάση. Δεν φαίνεται δυνατό να υπάρχει ζωή στο πραγματικό κενό του τυπικού μοντέλου. Η θέση του μποζονίου Higgs στο τοπίο του κενού καθορίζει τις ιδιότητες του σύμπαντος μας. Αυτή η διάνοιξη θα μπορούσε να γίνει αρκετά γρήγορα, το πόσο γρήγορα εξαρτάται ουσιαστικά από την τιμή μερικών παραμέτρων του τυπικού μοντέλου, όπως η μάζα του κορυφαίου κουάρκ.

Ένα άλλο ζήτημα που συνδέεται άμεσα με το μποζόνιο Higgs σε ένα κοσμολογικό περιβάλλον είναι το ακόλουθο. Πιστεύεται ευρέως ότι το πολύ πρώιμο σύμπαν υπέστη μια φάση εκθετικής διαστολής που ονομάζεται πληθωρισμός. Ενώ ο πληθωρισμός λύνει πολλά κοσμολογικά διλήμματα, για παράδειγμα, εξηγεί γιατί το σύμπαν είναι τόσο ομοιογενές και επίπεδο, δημιουργεί ένα νέο πρόβλημα για τους θεωρητικούς των σωματιδίων:δεδομένης της τρέχουσας γνώσης μας για τις παραμέτρους του τυπικού μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, είναι πολύ απίθανο το μποζόνιο Higgs θα κατέληγε στο ψευδές κενό του τυπικού μοντέλου εάν ο πληθωρισμός γινόταν σε κάποια υψηλή ενέργεια όπως συνήθως υποτίθεται.

Πράγματι, κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, το μποζόνιο Higgs αναμένεται να λάβει μεγάλες τιμές πεδίου και θα ήταν ελεύθερο να εγκατασταθεί οπουδήποτε στο τοπίο του κενού καθώς επιβραδύνεται η εκθετική διαστολή του σύμπαντος. Κατά πάσα πιθανότητα, θα είχε καταλήξει στο πραγματικό κενό της θεωρίας με και πάλι καταστροφικές συνέπειες για το σύμπαν μας, το οποίο θα είχε καταστραφεί κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης. Σαφώς, αυτό δεν συνέβη, καθώς είμαστε εδώ για να συζητήσουμε τέτοιες ερωτήσεις.

Σε μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύτηκε στο Foundations of Physics, οι επιστήμονες έδειξαν ότι οι βαρυτικές ιδιότητες του μποζονίου Higgs μπορούν να τροποποιήσουν το σχήμα του τυπικού κενού μοντέλου, σταθεροποιώντας το. Αυτές οι βαρυτικές ιδιότητες του μποζονίου Higgs δημιουργούν μια άμεση σύζευξη μεταξύ του μποζονίου Higgs και του πεδίου που είναι υπεύθυνο για τον πληθωρισμό που οδηγεί το μποζόνιο Higgs και επομένως το σύμπαν μας στο κενό που αντιστοιχεί στον κόσμο που παρατηρούμε. Οι βαρυτικές ιδιότητες του μποζονίου Higgs μπορούν επομένως να έχουν πολύ βαθιές συνέπειες για το τυπικό μοντέλο που λύνει μερικά από τα πιο βαθιά του μυστήρια.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο πρόσφατα δημοσιευμένο άρθρο με τίτλο Non-minimal Coupling of the Higgs Boson to Curvature in an Inflationary Universe, στο περιοδικό Foundations of Physics. Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν ο Xavier Calmet από το University of Sussex.