Natuurkundigen profiteren van een directe verbinding tussen de grootste kosmische structuren en de kleinste bekende objecten om het universum te gebruiken als een "kosmologische botser" en nieuwe fysica te onderzoeken.

De driedimensionale kaart van sterrenstelsels in de hele kosmos en de overgebleven straling van de oerknal - de kosmische microgolfachtergrond (CMB) genoemd - zijn de grootste structuren in het universum die astrofysici met telescopen waarnemen. Subatomaire elementaire deeltjes, anderzijds, zijn de kleinste bekende objecten in het universum die deeltjesfysici bestuderen met behulp van deeltjesversnellers.

Een team met onder meer Xingang Chen van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), Yi Wang van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en Zhong-Zhi Xianyu van het Center for Mathematical Sciences and Applications aan de Harvard University hebben deze extreme afmetingen gebruikt om op een innovatieve manier fundamentele natuurkunde te onderzoeken. Ze hebben laten zien hoe de eigenschappen van de elementaire deeltjes in het standaardmodel van de deeltjesfysica kunnen worden afgeleid door de grootste kosmische structuren te bestuderen. Deze verbinding wordt gemaakt door een proces dat kosmische inflatie wordt genoemd.

Kosmische inflatie is het meest algemeen aanvaarde theoretische scenario om te verklaren wat er aan de oerknal voorafging. Deze theorie voorspelt dat de omvang van het heelal zich in de eerste vluchtige fractie van een seconde na het ontstaan ​​van het heelal met een buitengewone en versnellende snelheid uitbreidde. Het was een zeer energieke gebeurtenis, waarin alle deeltjes in het universum zijn gemaakt en met elkaar in wisselwerking stonden. Dit is vergelijkbaar met de omgeving die natuurkundigen proberen te creëren in grondbotsers, behalve dat zijn energie 10 miljard keer groter kan zijn dan alle botsers die mensen kunnen bouwen.

De inflatie werd gevolgd door de oerknal, waar de kosmos zich gedurende meer dan 13 miljard jaar bleef uitbreiden, maar de expansiesnelheid vertraagde met de tijd. Microscopische structuren die tijdens deze energetische gebeurtenissen werden gecreëerd, werden uitgerekt over het universum, resulterend in regio's die iets dichter of minder dicht waren dan de omliggende gebieden in het overigens zeer homogene vroege heelal. Naarmate het universum evolueerde, de dichtere gebieden trokken door de zwaartekracht steeds meer materie aan. Eventueel, de eerste microscopische structuren vormden de basis voor de grootschalige structuur van ons universum, en bepaalde de locaties van sterrenstelsels in de kosmos.

In op de grond gestationeerde botsingen, natuurkundigen en ingenieurs bouwen instrumenten om de resultaten van de botsende gebeurtenissen te lezen. De vraag is dan hoe we de resultaten van de kosmologische botser moeten lezen.

"Een aantal jaar geleden, Yi Wang en ik, Nima Arkani-Hamed en Juan Maldacena van het Institute of Advanced Study, en een aantal andere groepen, ontdekte dat de resultaten van deze kosmologische botser zijn gecodeerd in de statistieken van de initiële microscopische structuren. Als de tijd voorbij gaat, ze worden ingeprent in de statistieken van de ruimtelijke verdeling van de inhoud van het universum, zoals sterrenstelsels en de kosmische microgolfachtergrond, die we vandaag observeren, " zei Xingang Chen. "Door de eigenschappen van deze statistieken te bestuderen, kunnen we meer leren over de eigenschappen van elementaire deeltjes."

Net als bij op de grond gestationeerde botsingen, voordat wetenschappers nieuwe natuurkunde onderzoeken, het is cruciaal om het gedrag van bekende fundamentele deeltjes in deze kosmologische botser te begrijpen, zoals beschreven door het standaardmodel van deeltjesfysica.

"Het relatieve aantal fundamentele deeltjes met verschillende massa's - wat we het massaspectrum noemen - in het standaardmodel heeft een speciaal patroon, die kan worden gezien als de vingerafdruk van het standaardmodel, " legde Zhong-Zhi Xiangyu uit. "Echter, deze vingerafdruk verandert als de omgeving verandert, en zou er ten tijde van de inflatie heel anders hebben uitgezien dan hoe het er nu uitziet."

Het team liet zien hoe het massaspectrum van het standaardmodel eruit zou zien voor verschillende inflatiemodellen. Ze lieten ook zien hoe dit massaspectrum is ingeprent in het uiterlijk van de grootschalige structuur van ons universum. Deze studie maakt de weg vrij voor de toekomstige ontdekking van nieuwe fysica.

"De voortdurende observaties van de CMB en de grootschalige structuur hebben een indrukwekkende precisie bereikt waaruit waardevolle informatie over de initiële microscopische structuren kan worden geëxtraheerd, " zei Yi Wang. "In deze kosmologische botser, elk waarnemingssignaal dat afwijkt van dat verwacht voor deeltjes in het standaardmodel zou dan een teken zijn van nieuwe fysica."

Het huidige onderzoek is slechts een kleine stap in de richting van een opwindend tijdperk waarin precisiekosmologie haar volledige kracht zal tonen.

"Als we het geluk hebben om deze afdrukken te observeren, we zouden niet alleen deeltjesfysica en fundamentele principes in het vroege heelal kunnen bestuderen, maar ook om de kosmische inflatie zelf beter te begrijpen. In dit verband, er is nog een heel universum van mysteries om te ontdekken, ' zei Xianyu.

Dit onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven op 29 juni, 2017, en de preprint is online beschikbaar.