Inflaatio on merkittävin varhaista maailmankaikkeutta kuvaava skenaario. Inflaatiota on tutkittu vuodesta 1980 alkaen, ja se on muodostunut, pimeän aineen ja pimeän energian ohella, yhdeksi hiukkaskosmologian merkittävimmäksi tutkimuskohteeksi. Inflaatio tarkoittaa ajanjaksoa jossain ensimmäisen 10^(-38):sosasekunnin ja yhden sekunnin välillä (tarkkaa ajankohtaa ei tiedetä), jolloin maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. On syytä puhua "skenaariosta" ennemmin kuin teoriasta, koska ei tiedetä, mikä inflaation aiheuttaa. Inflaatiosta on olemassa kymmeniä malleja, joiden ennusteet pitävät hyvin yhtä havaintojen kanssa. Useimmissa malleissa inflaatiosta on vastuussa kenttä, jota kutsutaan inflatoniksi. (Hiukkaskosmologit eivät ole kovin mielikuvituksekkaita nimien suhteen, vaikka valitettavasti joskus luulevat toisin.)

Lienee syytä selventää, mitä sana "kenttä" tarkoittaa. Jos hiukkanen on yhteen pisteeseen paikallistunut olio, jolla on tietyt ominaisuudet (vaikkapa massa ja nopeus), niin kenttä taasen on olio, joka on olemassa kaikkialla avaruudessa, ja jolla on kaikissa pisteissä tietty arvo tai joukko arvoja. Esimerkiksi sähkökentällä on jokaisessa pisteessä voimakkuus ja suunta. Inflatonikenttä on yksinkertaisempi, sillä on pelkästään voimakkuus.

Inflaation aikana kentän arvo on lähes sama kaikkialla, ja se kehittyy samaan tapaan kuin kuoppaan vierivän kappaleen korkeus. Jos maailmankaikkeus ei laajenisi, kenttä vierisi nopeasti alas, eli sen arvo laskisi nopeasti. Maailmankaikkeuden laajeneminen kuitenkin hidastaa kenttää, ja se liikkuu verkkaisesti kuin pallo, joka vierii ilman sijaan tiheässä nesteessä. Niinpä kentän energiatiheyskin on melkein vakio. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan avaruuden laajeneminen hidastuu sitä nopeammin, mitä enemmän energiatiheys putoaa laajenemisen myötä. Vakioenergiatiheys johtaa kiihtyvään laajenemiseen. Koska kenttä vierii hitaasti, laajeneminen kestää kauan, ja paisuttaa maailmankaikkeuden valtavan isoksi. Monissa inflaatiomalleissa koko nyt näkemämme maailmankaikkeuden osa on alun perin ollut pienempi suhteessa atomin kokoon kuin mitä ihminen on suhteessa näkyvään maailmankaikkeuteen nyt.

Lopulta kenttä saapuu kuopan pohjalle, missä se vieriskelee edestakaisin ja hajoaa tavalliseksi aineeksi - tämä on paljon puhuttu "alkuräjähdys". Inflatonin energian siirtymistä tavalliselle aineelle voi verrata siihen, miten vierivä pallo menettää energiaansa kitkan kautta, kunnes jää lopulta paikalleen.

Eri inflaatiomalleissa kuopan muoto vaihtelee, joten kenttä vierii alas eri tavalla, ja kentän (myöhemmin kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyvät) pienet poikkeamat tasaisuudesta ovat siksi erilaisia. Inflaatiomallien tekeminen on siis helppoa: valitsee vain kuopan muodon, mahdollisesti lisää useampia kenttiä, laittaa kentän (tai kentät) vierimään alas ja laskee millainen kosminen mikroaaltotausta tästä seuraa. (Eräs inflaation suuri ratkaisematon kysymys on se, miksi kenttä on aluksi ylhäällä.)

Hiukkasfysiikan Standardimallissa on yksi kenttä, joka ensi silmäyksellä vaikuttaa lupaavalta inflatonikandidaatilta: Higgsin kenttä (jonka kiehtovaan rooliin Standardimallissa palaan joskus myöhemmin). Higgs kuitenkin vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa niin voimakkaasti, että kenttä hajoaisi hiukkasiksi ennen pohjalle ehtimistään, eikä inflaatio kestäisi tarpeeksi kauan. Näin ainakin pitkään luultiin. Hiljattain kuitenkin Bezrukov ja Shaposhnikov Geneven naapurissa Lausannessa esittivät kuinka yksinkertainen ja elegantti muutos Higgsin kentän gravitaatiovuorovaikutukseen tekee inflaatiosta mahdollisen. Itseasiassa muutos on niin luonnollisen oloinen, että ei tee mieli puhua teorian muokkaamisesta, vaan ennemmin sanoisin, että on huomattu piirre, jonka olisi pitänyt olla mukana alun perinkin.

Ehdotus on erityisen kiintoisa, koska kuopan muoto liittyy Higgsin hiukkasen massaan. Niinpä malli ennustaa, että LHC:ssä mitattavan Higgsin massan ja Planckilla havaittavien kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien välillä on tietty yhteys. Inflaatiossa on, mallista riippumatta, sykähdyttävää se, kuinka maailmankaikkeuden rakenne miljardien valovuosien mittakaavassa heijastaa mikroskooppisen maailman lakeja, mutta Higgs-inflaatiomallissa tätä yhteyttä pääsee testaamaan odottamattoman helposti. Vaikka osoittautuisikin, että oikea inflaatiomalli on jokin muu, Higgs-inflaatio osoittaa, että vuosikymmeniäkin tutkituille ongelmille voi löytyä yllättävän helppo ratkaisu.

Kommentit (2)

Petri M, Vantaa

"Niinpä malli ennustaa, että LHC:ssä mitattavan Higgsin massan ja Planckilla havaittavien kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien välillä on tietty yhteys"

Pidätkö itse jo varmana, että Higgsin massa tullaan mittaamaan LHC:ssä?

Syksy Räsänen

Petri M:

Mikäli Higgsin hiukkasen ominaisuudet ovat hiukkasfysiikan Standardimallin mukaiset ja LHC toimii kuten suunniteltu, niin LHC löytää Higgsin bosonin ja mittaa sen massan. (Sen havaitseminen, että Higgsin kenttä ei käyttäydykään Standardimallin ennustamalla tavalla, olisi vielä mielenkiintoisempi löytö.)

Toistaiseksi LHC tosin ei toimi suunnitelmien mukaan, eikä vielä syystalvella käynnistyessäänkään, ja kestänee jonkin aikaa, ennen kuin saavutetaan kaavailtu törmäysenergia ja päästään käsiksi Higgsiin.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto