Higgso sprogimas: kas dėjosi pačioje visatos gimimo pradžioje

Sako, ji prasidėjo nuo sprogimo, tačiau tiesą sakant, sprogimas neįvyko. Visata prasidėjo kaip karšta energijos dalelė ir trumpam tokia ir liko. O tada ji išsipūtė: iš trilijonus trilijonų kartų mažesnės už atomą sėklytės, viskas staiga išsipūtė iki Tic Tac ledinuko dydžio. Per mažą sekundės dalį visata išsipūtė beveik tiek pat, kiek per kitus 13,8 mlrd metų.

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 turėti garsusis Higgso bozonas – dalelė, suteikianti masę, arba inerciją visoms kitoms dalelėms. „Jei Higgsas suteikia inerciją dalelėms, ar gali jis suteikti inerciją visai visata?“ svarsto Juan García-Bellido iš Autonomous universiteto Madride.

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 MIT ir kiti iškėlė devintojo dešimtmečio pradžioje. Ji skelbia, kad mažutėlaitė pirminio kosmoso dalis akimirksniu išaugo eksponentiškai. Erdvėlaikyje nuolat vykstančios mažos, trumpai gyvuojančios kvantinės fluktuacijos įstrigo žaibiškame plėtimesi ir tapo dabar regimų žvaigždžių ir 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 būti „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.

O tada, 2012 metais, pagaliau pasirodė fundamentalioji skaliarinė dalelė: Higgso bozonas. Ant Prancūzijos ir Šveicarijos sienos stovinčiame CERN Didžiajame hadronų greitintuve (LHC), Higgsas jau seniai buvo numatytas kaip dalelė, suteikianti masę visoms kitoms dalelėms. Jo atradimas buvo didžiulis triumfas.

Tačiau, kol pasaulis šventė, grupelė teoretikų Higgso atradimą regėjo kitoje šviesoje. Du iš jų, Fedor Bezrukov ir Mikhail Shaposhnikov iš Šveicarijos federalinio technologijos instituto Lozanoje (EPFL). Keletą metų laukdami Higgso atradimo, jie pradėjo svarstyti, kokios dar yra jo savybės, neskaitant masės suteikimo.

„Įkrautas Higgsas užtvindytų visatą ekstremalia antigravitacija“

Iš pirmo žvilgsnio, Higgsas 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. Bezrukovas ir Shaposhnikovas 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 Higgsas 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 masę kitoms dalelėms masę, nors pats laukas neturi išorinės energjios šaltinio.