Norite tikėkite, nenorite – ne, bet šis kosmologinės infliacijos spurtas, po kurio vyko lėtesnis, ramesnis plėtimasis, yra logiškiausias būdas paaiškinti dabartinį Visatos vaizdą. Bet paveikslui dar kai ko trūksta: kas infliaciją sukėlė?
Atsakymas gali būti visur ir tiesiog po nosimi. Kai prieš keletą metų ilgai ieškota dalelė pagaliau buvo aptikta, atrodė, ji užbaigė fizikos skyrių, nepateikdama jokių užuominų, kas vyks paskui. Tačiau skaitant tarp eilučių, kaip neseniai padarė keli fizikos teoretikai, paaiškės, kad sprogiąją paslaptį gali padėti įminti būtent garsusis Higgso bozonas – dalelė, suteikianti masę, arba inerciją visoms kitoms dalelėms. „Jei Higgso bozonas suteikia inerciją dalelėms, ar gali jis suteikti inerciją visai Visatai?“, – svarsto Juanas García-Bellido iš Madrido (Ispanija) Autonominio universiteto.
Sprogiąją paslaptį gali padėti įminti būtent garsusis Higgso bozonas – dalelė, suteikianti masę, arba inerciją visoms kitoms dalelėms
Tačiau čia kažkas ne taip. Žiūrint pakankamai dideliu masteliu, žvaigždės, galaktikos ir kitos Visatos struktūros neatrodo išsibarsčiusios atsitiktinai; netgi materija priešingose Visatos pusėse atrodo pasiskirsčiusi tokia pat tinklų ir spiečių struktūra, lyg ją kažkas būtų suvienodinęs Visatai besiplečiant. Bet tai neįmanoma. Tas kažkas būtų turėjęs tarp šių nutolusių taškų sklisti didesniu nei šviesos greičiu – fizika tam niekaip negali pritarti.
Sprogdinanti nekantra
Išeitį siūlo infliacija, kurios idėją Alanas Guthas iš Masačiusetso technologijų instituto (JAV) ir kiti mokslininkai iškėlė devintojo dešimtmečio pradžioje. Ji skelbia, kad mažutėlaitė pirminio kosmoso dalis akimirksniu išaugo eksponentiškai. Erdvėlaikyje nuolat vykstančios mažos, trumpai gyvuojančios kvantinės fliuktuacijos įstrigo žaibiškame plėtimesi ir tapo dabar regimų žvaigždžių bei galaktikų užuomazgomis. Struktūros neišsivystė – jos buvo nuo pat pradžių.
Yra ir daugiau priežasčių mėgti infliaciją, tačiau tai nekeičia fakto, kad vis dar neturime žalio supratimo, kaip ji nutiko. Kosmologai spėja, kad turėtų egzistuoti „inflatonas“, sprogstamomis savybėmis pasižymintis energijos laukas. Bet kas ir kur tai yra?
Numanome, ko reikėtų ieškoti: inflatonas turi būti skaliarinis laukas. Tai tiesiog matematinis būdas aprašyti lauką, veikiantį visomis kryptimis, bet kurio stipris kinta laike ir erdvėje. Tai galima įsivaizduoti kaip orų žemėlapį su pavaizduotu oro slėgiu. Oro slėgis priklauso nuo vietos ir prognozės laiko, bet, kitaip, nei, tarkime, vėjo greitis, jis neturi krypties.
Tad, ieškome neregimos, į skystį panašios substancijos, užpildančios visą erdvę ir galinčios veikti viską, kas joje yra. Ar bent jau galėjusios. Šis inflatono laukas turėjo sukurti kažką panašaus į antigravitaciją – erdvėlaikio audinį susprogdinusį kosminį akstiną, kurio įtaka paskui iš esmės išnyko ir liko normalus plėtimasis.
Iš principo mums niekas nekliudo ieškoti nematomo energijos lauko, nepasireiškusio per vėlesnius 13,8 mlrd metų. Dalelių fizikai gali izoliuoti nedidelį lauko lopinėlį, dar žinomą kaip dalelė, sudauždami kitas daleles ir taip gaudami momentinį energijos blyksnį. Taip atradome kai kurias efemeriškiausias fundamentalias daleles, pavyzdžiui, kvarkus. Bet tos dalelės nesusijusios su skaliariniais laukais. Ir per dešimtmečius, praėjusius po infliacijos idėjos iškėlimo, geriausiems dalelių greitintuvams nepavyko rasti nieko, kas būtų su jais susiję.
O tada, 2012 metais, pagaliau pasirodė fundamentalioji skaliarinė dalelė: Higgso bozonas. Po Prancūzijos ir Šveicarijos siena sumontuotame CERN Didžiajame hadronų greitintuve (LHC), Higgso bozonas jau seniai buvo numatytas kaip dalelė, suteikianti masę visoms kitoms dalelėms. Jo atradimas buvo didžiulis triumfas.
Tačiau kol pasaulis šventė, grupelė teoretikų Higgso bozono atradimą regėjo kitoje šviesoje. Du iš jų – Fiodoras Bezrukovas ir Michailas Šapošnikovas iš Šveicarijos federalinio technologijos instituto Lozanoje (EPFL). Keletą metų laukdami Higgso bozono atradimo jie pradėjo svarstyti, kokios dar yra jo savybės, neskaitant masės suteikimo.
Iš pirmo žvilgsnio, Higgso laukas ir inflatonas skiriasi iš esmės. Nors abu yra skaliariniai laukai, tačiau, kitaip nei inflatonas, dalis Higgso lauko išlieka net žemiausiame energijos lygyje. Būtent šis likutis ir pasireiškia kaip kitų fundamentaliųjų dalelių masės savybė. Bet taip yra dabartinėje visatoje. F.Bezrukovas ir M.Šapošnikovas suprato, kad galima Higgso lauko savybes pareguliuoti taip, kad iškart po Didžiojo sprogimo vis dar neapsakomai mažą kosmosą jis užpildytų infliacijos potraukiu.
Jie nagrinėjo Higgso „potencialo kreivę“ – iš esmės, kokios energijos reikia dalelei, kad ši turėtų kokį nors, tarkime, masės suteikimo kitoms dalelėms, efektą. Įsivaizduokite tai kaip kamuolį ant stačios kalvos viršūnės. Daugumos dalelių atveju, kai veikia maža energija, kamuoliai ramybės būseną pasiekia slėnyje. Dalelės vieta apsprendžia jos efektą, ir slėnio viduryje efektas lygus „nuliui“, kas reiškia, kad dalelė, galima sakyti, yra išjungta.
Tačiau Higgso bozonas yra ypatingas, – jo potencialo kreivės forma primena ne tipinį slėnį, o veikiau šampano butelio dugną su iškilimu viduryje. Kadangi norint užstumti kamuolį ant centrinio iškilumo, reikėtų energijos, kai aplinkinė energija maža, Higgsas įsitaiso vienoje slėnio pusėje, kur jis „įjungtas“. Taip Higgsas suteikia kitoms dalelėms masę, nors pats laukas neturi išorinės energijos šaltinio.
F.Bezrukovas ir M.Šapošnikovas pastebėjo, kad niekas iš to, kas žinoma apie Higgso bozoną, nekliudo jiems pakoreguoti jo potencialo kreivės šonų. O ką, jei kažkur aukščiau statūs šios kreivės kraštai kažkaip suplokštėjo? Jei kamuolys buvo čia trumpam apsistojęs, Higgso bozonas galėjo būti „įjungtas“, kur būtų užtvindęs visatą ekstremalia antigravitacija, kurios pakaktų paties erdvėlaikio išplėtimui.
Netikėtas bendrininkas
Taip, tam būtų reikėję labai daug energijos. Bet po Didžiojo sprogimo foninės energijos buvo sočiai. „Higgso bozonas gali priversti Visatą plėstis“, – sako F.Bezrukovas, dabar dirbantis Mančesterio universitete, JK. „Jis gali būti inflatonas“.
Norint tuo įsitikinti, reikėtų patikrinti šios dalelės sąveiką su gravitacija: jei Higgso bozonas stipriai sąveikauja su gravitacija, tada potencialo kreivės kraštai galėjo būti plokštesni, kaip tyrėjai ir siūlo. Deja, Žemėje gravitacija pernelyg silpna, kad tai būtų galima pamatuoti LHC, tad, vien iš greitintuvo duomenų negalima nustatyti, ar Higgso lauko potencialas turi inflatonui pritinkančius plokštesnius kraštus.
Galimybė Higgso bozonu paaiškinti ir masę, ir inflatoną, buvo pernelyg viliojanti, kad García-Bellido galėtų jos atsisakyti. Bet kuo daugiau jis apie tai mąstė, tuo mažau aiškumo liko. 2011 metais, dirbdamas su Shaposhnikovu ir kitais, J.García-Bellido suprato, kad matematiniai Higgso bozono potencialo pakeitimai jo lygtyse sukūrė disbalansą, kurį galima būtų ištaisyti tik antra skaliarine dalele. Tai buvo siurprizas, tačiau nebūtinai nemalonus.
Nuo 1998 m. astronomai žinojo, kad Visatos dabartinis plėtimasis greitėja. Jie manė, kad greitėjimą sukelia kažkoks nežinomas energijos šaltinis, o šiuolaikiniai stebėjimai rodo, kad jam tenka daugiau nei du trečdaliai Visatos energijos. Tik bėda, kad niekas nežino, kas toji tamsioji energija yra.
Čia ir yra visas šio modelio grožis. Pirmiausia, jis išsprendžia infliaciją; antra, spartėjantį Visatos plėtimąsi. Tai itin ekonomiška
Tad, būtų labai paranku, jei J.Garcia-Bellido ir kolegų sumąstyta dalelė galėtų išspręsti ir šią paslaptį. Ji nė iš tolo nebūtų tokia energinga, kaip Higgso bozonas, bet, remiantis komandos skaičiavimais, jos laukas nedideliais kiekiais pasireikštų per visą Visatos gyvavimo laiką, suteikdama tinkamą plėtimosi spartinimą. „Čia ir yra visas šio modelio grožis“, – sako J.García-Bellido. „Pirmiausia, jis išsprendžia infliaciją; antra, spartėjantį Visatos plėtimąsi. Tai itin ekonomiška“.
Naujosios dalelės pavadinimas, dilatonas, atspindi artimą jos sąsają su Higgso bozono fizika. O būtent, ji neleistų Higgso bozono masei pernelyg „išsiplėsti“ (angl. dilate) – kas naudinga, nes antraip nelabai žinotume, kodėl Higgso masė tokia, kokia yra. Tad, nors pats dilatonas masės neturėtų, jis būtų svarbus užkulisinis veikėjas, reguliuojantis Higgso bozono, – o per jį ir visų kitų fundamentaliųjų dalelių – mases. Didžiausias jo pėdsakas Visatoje būtų tamsioji energija.
Drąsūs teiginiai, ką ir besakyti. Deja, ne visus įtikinantys. Veronica Sanz iš Sussexo universiteto, JK, mano, kad Higgso bozono, kaip masės suteikėjo ir kartu inflatono, idėja yra pernelyg pritempta. Jai labiau prie širdies galimybė, kad Higgso bozonas ir inflatonas yra dalis visai naujos skaliarinių dalelių šeimos, kurias dar tik pradedame atrasti. Visos kitos žinomos dalelės priklauso kokiai nors šeimai, tai kodėl Higgso bozonas turėtų būti vienintelė skaliarinė dalelė?
Jei V.Sanz teisi, Higgso bozonas tebūtų kuklus ankstyvosios Visatos stebėtojas, kuriam įtaką darė jo giminaitis inflatonas, ir tai pasimatytų Higgso bozono duomenyse iš LHC. V.Sanz sako, kad ji teikia pirmenybę šiai idėjai, nes turimais greitintuvais ją paprasčiau patikrinti, nei siūlomą J.García-Bellido ir jo kolegų. „Kosmologijoje niekad netrūksta idėjų, kurias eksperimentiškai sunku patikrinti. Man tai nepatinka“, – sakė mokslininkė.
Tai teisingas pastebėjimas: vien LHC negali atmesti Higgso-dilatono modelio, nes dilatonas vargu ar sąveikautų su kitomis dalelėmis. Bet tikrindamas, ar Higgso bozonas galėtų suteikti sprogumo Didžiajam sprogimui, J.García-Bellido nesiremia vien LHC. Vietoje to jis žvelgs į Didžiojo sprogimo pėdsakus, kosminį mikrobangų foną.
Tiesioginis Higgso bozono, kaip infliacijos sukėlėjo, savybių įrodymas būtų tam tikras šios senovinės šviesos poliarizacijos pasisukimas. Dilatono lauką pastebėti būtų sunkiau – bet įmanoma. J.García-Bellido mano, kad jis turėjo palikti žymę bet kuriose gravitacinėse bangose, palikusiose atspaudus po infliacijos sąmyšio. Plačiai kalbant, tai reiškia tikslius iš skirtingų erdvės krypčių atsklindančių mikrobangų lygio skirtumų matavimus.
Kol kas geriausią kosminio mikrobangų fono vaizdą 2013 metais įrašė Europos kosmoso agentūros zondas „Planck“. J.García-Bellido poreikiams jo detalumo negana, bet nauji instrumentai turėtų pateikti pakankamai gerus rezultatus – Atakamos dykumoje Čilėje statoma Simonso observatorija, Japonijos būsimas „LiteBIRD“ palydovas ir naujausias BICEP/„Keck“ teleskopas Pietų ašigalyje.
Turėsime apsišarvuoti kantrybe. Simonso observatorija dangų tyrinėti pradės dar tik po kelių metų, o „LiteBIRD“ paleidimas numatomas ne anksčiau, nei 2020 m. Tačiau J.García-Bellido neilgu laukti dviejų didžiausių kosmologijos mįslių sprendimo vienu ypu. „Proveržis jau čia pat“, – sako jis.
Infliacija nėra vienintelė svarbi ankstyvosios Visatos paslaptis. Didžiojo sprogimo metu susidarė po vienodai materijos ir antimaterijos. Vos susilietusios, jos viena kitą anihiliuoja, tad jos turėjo viena kitą sunaikinti kone iš karto, palikdamos tuščią Visatą, be medžiagos, iš kurios galėtų susiformuoti žvaigždės, planetos ir gyvybė. Nereikia nė sakyti, esame čia, tad kažkas pakeitė balansą.
Aleksandro Kusenko iš Kalifornijos universiteto Los Andžele (JAV) ir kitų mokslininkų teigimu, tas kažkas galėjo būti Higgso bozonas, dalelė ir jos laukas, suteikiantis masę kitoms dalelėms. Geriausi turimi Higgso dalelės masės matavimai rodo, kad jos laukas kosmologinės infliacijos metu galėjo būti gerokai stipresnis, kai Visata sparčiai plėtėsi, o paskui sumažėjo iki dabartinio lygio. Po infliacijos sumažėjęs, kintantis Higgso lauko lygis galėjo nevienodai veikti daleles ir antidaleles, ir taip sukurti palankesnes sąlygas materijai.
Bet Higgso bozonui reikėtų šiek tiek draugiškos pagalbos – sunkaus Majorana neutrino, turinčio neįprastą savybę – jis yra savo paties antidalelė. A.Kusenko ir kolegos spėja, kad šios dviveidės dalelės galėjo suteikti kelelį, kuriuo antimaterijos dalelės galėjo virsti materija, kai kintanti Higgso lauko reikšmė pasidarė jai palankesnė.
Idėja patraukli, bet, kaip jau įprasta, yra ir kabliukas: niekas sunkaus Majorana neutrino nėra matęs. Tad, vėlgi, stebėtos žinomų neutronų masės lyg ir nurodo jų egzistavimą, ir paieškos vykdomos keliais tam skirtais neutrinų eksperimentais.
