טיילכעל פיזיק און איר באַציִונג צו קאָסמאָלאָגיע
טיילכעל פיזיק און קאסמאלאגיע ווערן אפט באטראכט אלס צוויי באזונדערע צווייגן פון וויסנשאפט: איינע שטודירט די נאטור אויף די קלענסטע מאסשטאבן, בשעת די אנדערע באהאנדלט די סטרוקטור און עוואלוציע פון די אוניווערס אויף די גרעסטע. אבער, אין פראקטיק, זענען די צוויי פעלדער ענג פארבינדן. אונזער פארשטאנד פון די ווארצלען, אינהאלט, און גורל פון די אוניווערס איז אומאפהענגיק פארבונדן מיט די געזעצן וואס רעגירן עלעמענטארע טיילכלעך. פארקערט, קאסמאלאגיע גיט אן עקסטרעמע "נאטירלעכע לאבאראטאריע" - זייער הויכע ענערגיעס, ריזיגע געדיכטקייטן, און גאר לאנגע צייט-מאסשטאבן - וואס קענען נישט פולשטענדיג רעפליקירט ווערן אויף דער ערד. די פארבינדונג האט געגעבן א מקור צום אינטערדיסציפלינערישן פעלד וואס ווערט אפט גערופן אסטראטייל פיזיק אדער טיילכעל קאסמאלאגיע.
פֿון דעם גאָר קליינעם ביז דעם גאָר גרויסן
טיילכעל פיזיק שטודירט עלעמענטארע טיילכלעך ווי קווארקס, לעפטאנען (אריינגערעכנט עלעקטראנען און נייטרינאס), און די פונדאמענטאלע כוחות וואס פארמיטלען זייערע אינטעראקציעס. די הויפט ראם וואס דערקלערט ערפאלגרייך סובאטאמישע דערשיינונגען איז דער סטאנדארט מאדעל, וואס נעמט אריין קוואנטום פעלד טעאריעס פאר די עלעקטראמאגנעטישע, שוואכע, און שטארקע אינטעראקציעס. אבער, דער סטאנדארט מאדעל איז נישט פולשטענדיג: עס דערקלערט נישט פולשטענדיג גראוויטאציע, דערקלערט נישט פולשטענדיג דעם מקור פון נייטרינא מאסע, און גיט נישט קיין איבערצייגנדיקן קאנדידאט פאר טונקעלע מאטעריע.
קאסמאלאגיע, ספעציעל מאדערנע קאסמאלאגיע באזירט אויף אלגעמיינע רעלאטיוויטעט און אסטראנאמישע באאבאכטונגען, שטודירט די אויסברייטונג פון דעם אוניווערס, זיין גרויס-מאסשטאב סטרוקטור (גאלאקסיעס און גאלאקסי קלאסטערס), די קאסמישע מייקראכווע הינטערגרונט ראדיאציע (CMB), און זיין טערמישע געשיכטע. ווען מיר גייען נאך די געשיכטע פון דעם אוניווערס צוריק אין צייט, געפינען מיר אז אין זיינע פריעסטע מאמענטן, האט עס עקזיסטירט ביי גאר הויכע ענערגיעס - פונקט דער פעלד פון טיילכעל פיזיק. דאס מיינט אז צו פארשטיין פריע קאסמאלאגיע, דארפן מיר טיילכעל פיזיק; און צו טעסטן טיילכעל פיזיק ביי גאר הויכע ענערגיעס, קענען מיר "לייענען" זיינע שפורן אין דעם קאסמאס.
דער פריער אוניווערס אלס א ריזיקער אַקסעלעראַטאָר
די ערשטע פאר סעקונדעס נאך דעם גרויסן קלאַפּ רעפּרעזענטירן באדינגונגען ווייט איבער די מעגלעכקייטן פון היינטיקע טיילכעל אַקסעלעראַטאָרן. די ענערגיעס, טעמפּעראַטורן און געדיכטקייטן אין יענער צייט האָבן ערלויבט פּראָצעסן וואָס וואָלטן שפּעטער פֿאָרעמען די צוזאַמענשטעלונג פון דער אוניווערס. למשל, אין דער פרי אוניווערס, זענען טיילכלעך און אַנטיטיילכלעך באַשאַפֿן און פֿאַרניכטעט געוואָרן אין טערמישן גלייכגעוויכט. ווי דער אוניווערס האָט זיך אויסגעברייטערט און אָפּגעקילט, האָבן עטלעכע אינטעראַקציעס "פֿאַרפֿרוירן" זיך, לאָזנדיק הינטער זיך פֿאָרויסזעבארע מאָסן פון געוויסע טיילכלעך. דער באַגריף אונטערשטיצט פֿאַרשידענע טעאָריעס וועגן דעם אָנהייב פֿון טונקעלער מאַטעריע, ווייל מען גלויבט אַז פֿיל קאַנדידאַטן פֿאַר טונקעלער מאַטעריע האָבן זיך געשאַפֿן דורך פֿאַרפֿריר-אויס אָדער פֿאַרפֿריר-אין מעכאַניזמען אין דער פרי קאָסמאָלאָגיע.
דערצו, די פריע אוניווערס גיט אויך א פלאטפארמע פארן פארשטיין פאזע איבערגאנגען אין טיילכעל פיזיק. ווען טעמפעראטורן פאלן אריבער א געוויסן שוועל, קענען פונדאמענטאלע סימעטריעס ווערן "צעבראכן". איין וויכטיגע געשעעניש איז די צעברעכונג פון עלעקטרא-שוואַכע סימעטריע פארבונדן מיטן היגס מעכאניזם. די איבערגאנג האט דעם פאטענציאל צו שאפן קאסמאלאגישע דערשיינונגען ווי פרימאָרדיאַלע גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליעס, אדער צו השפּעה האבן אויף ווי די מאַטעריע-אַנטי-מאַטעריע אומבאַלאַנס פארמירט זיך.
קאָסמישע אינפלאַציע און קוואַנטום פלוקטואַציעס
איינע פון די מערסט איינפלוסרייכע קאנצעפטן אין מאדערנער קאסמאלאגיע איז קאסמישע אינפלאציע: א פאזע פון גאר שנעלער אויסברייטונג אין די פריע סעקונדעס פון דעם אוניווערס. אינפלאציע איז פארגעשטעלט געווארן צו דערקלערן פארוואס דער אוניווערס דערשיינט באמערקבאר האמאגען אויף גרויסע מאסשטאבן, פארוואס די געאמעטריע פון ספעיס איז כמעט פלאך, און פארוואס געוויסע טאפאלאגישע חסרונות, ווי למשל מאגנעטישע מאנאפאלן, וואס געוויסע טעאריעס פארזאגן, זענען נישטא.
דאָ קומט אַרײַן טיילכעל פיזיק. פֿיל אינפֿלאַציאָנערע מאָדעלן פֿאַרלאָזן זיך אויף דער עקזיסטענץ פֿון אַ היפּאָטעטישן סקאַלאַר פֿעלד (די אינפֿלאַטאָן), וועמענס ענערגיע דאָמינירט דעם אוניווערס און טרייבט זײַן עקספּאָנענציעלע עקספּאַנסיע. קוואַנטום פֿלוקטואַציעס אין דעם פֿעלד ווערן דאַן "אַנטפּלעקט" אין געדיכטקייט שטערונגען וואָס ווערן די זוימען פֿאַר דער פֿאָרמירונג פֿון גאַלאַקסיעס און אַנדערע קאָסמישע סטרוקטורן. מיר זען שפּורן פֿון די פֿלוקטואַציעס הײַנט ווי קליינע טעמפּעראַטור וואַריאַציעס אין דעם CMB. מיט אַנדערע ווערטער, מעסטן דעם CMB גיט אַן אומדירעקטן וועג צו שטודירן הויך-ענערגיע פיזיק און די אייגנשאַפֿטן פֿון קוואַנטום פֿעלדער אין דעם פֿריִען אוניווערס.
כאָטש דער אינפֿלאַציאָנערישער מעכאַניזם איז פֿענאָמענאָלאָגיש געראָטן, בלייבן די אידענטיטעט פֿון דער אינפֿלאַציע און איר באַציִונג צו באַקאַנטע פּאַרטיקלען אָפֿענע פֿראַגעס. עטלעכע סצענאַרן פֿאַרבינדן די אינפֿלאַציע צו פֿאַרלענגערונגען פֿון דעם סטאַנדאַרט מאָדעל, סופּערסימעטריע, אָדער פֿעלדער פֿון מער פֿונדאַמענטאַלע טעאָריעס.
מאַטעריע-אַנטימאַטעריע אַסימעטריע: פארוואס עקזיסטירן מיר?
איינע פון די גרעסטע סודות איז פארוואס די אוניווערס ווערט דאמינירט דורך מאַטעריע, אנשטאט א באלאנסירטע געמיש פון מאַטעריע און אַנטימאַטעריע. פשוט געזאגט, אויב דער גרויסער קלאַפּ וואָלט פּראָדוצירט גלייכע מאָסן פון מאַטעריע און אַנטימאַטעריע, וואָלטן זיי זיך אויסגעראָטן איינער דעם אַנדערן, לאָזנדיק נאָר ראַדיאַציע. דער פאַקט אַז שטערן, פּלאַנעטן און מענטשן עקזיסטירן נאָך מיינט אַז אַ פּראָצעס האָט באַשאַפן איבעריקע מאַטעריע (באַריאָגענעזיס אָדער לעפּטאָגענעזיס).
טיילכעל פיזיק אָפפערט די נויטיקע באַדינגונגען פֿאַר דעם אַסימעטריע, באַקאַנט ווי די סאַכאַראָוו באַדינגונגען: באַריאָן נומער ווייאַליישאַן, ווייאַליישאַן פון C און CP סימעטריעס, און אַ טערמישע ברייק-אויס באַדינגונג. עטלעכע CP-וויאָלייטינג פּראָצעסן עקסיסטירן טאַקע אין דעם סטאַנדאַרד מאָדעל, אָבער זיי ויסקומען נישט צו זיין גענוג צו פּראָדוצירן די באמערקטע אַסימעטריע. דעריבער, פרי קאָסמאָלאָגיע גיט אַ שטאַרקע אָנווייַזונג אַז נייַע פיזיק עקסיסטירט ווייַטער פון דעם סטאַנדאַרד מאָדעל. למשל, לעפּטאָגענעסיס פֿאָרשלאָגט אַז ימבאַלאַנסיז אין דעם לעפּטאָן סעקטאָר (פֿאַרבונדן מיט נעוטרינאָס) קענען ווערן קאָנווערטעד אין באַריאָן אַסימעטריע דורך זיכער עלעקטראָואַק פּראָצעסן.
טונקעלע מאַטעריע: פֿון פּאַרטיקלען ביז גאַלאַקטישע סטרוקטור
אבזערוואציעס פון גאלאקסיע ראָטאַציע, גראַוויטאַציאָנעלע לענסינג, און קאָסמישע סטרוקטור ווײַזן אָן אַז רובֿ מאַטעריע אין דער וועלט איז "פינסטער," נישט אויסשטראַלנדיק און נישט אַבזאָרבירנדיק באַדײַטנדיק ליכט. טונקעלע מאַטעריע מאַכט אויס בערך אַ פֿערטל פֿון דער ענערגיע-מאַסע אינהאַלט פֿון קאָסמאָס, פֿיל מער ווי געוויינטלעכע מאַטעריע. די גרויסע פֿראַגע איז: וואָס איז טונקעלע מאַטעריע?
אסאך טעאריעס פֿאָרשלאָגן אַז טונקעלע מאַטעריע איז צוזאַמענגעשטעלט פֿון נײַע פּאַרטיקלען. פּאָפּולערע קאַנדידאַטן שליסן אײַן שוואַך אינטעראַקטירנדיקע מאַסיווע פּאַרטיקלען (WIMPs), אַקסיאָנס, סטערילע נעוטרינאָס, און טונקעלע סעקטאָר פּאַרטיקלען וואָס אינטעראַקטירן זייער שוואַך מיט געוויינטלעכער מאַטעריע. קאָסמאָלאָגיע העלפֿט באַגרענעצן די אייגנשאַפֿטן פֿון די קאַנדידאַטן אין פֿאַרשידענע וועגן: פֿון זייער השפּעה אויף סטרוקטור פֿאָרמאַציע, ביזן CMB, ביז דער צאָל ליכטיקע עלעמענטן וואָס זענען געשאַפֿן געוואָרן בעתן ביג באַנג נוקלעאָסינטעז. אין קאָנטראַסט, זוכן עקספּערימענטן פֿון פּאַרטיקל פֿיזיק טונקעלע מאַטעריע דורך דירעקטע דעטעקציע (קאָליזיעס מיט אַטאָמישע קערנס), אינדירעקטע דעטעקציע (פֿאַרפוילונג אָדער פֿאַרניכטונג פּראָדוקטן), און זוכענישן אין אַקסעלעראַטאָרן ווי דער LHC.
די באַציִונג ווײַזט אויף אַן אייגענאַרטיקע סינערגיע: קאָסמאָלאָגיע גיט "באַווײַזן" פֿאַר דער עקזיסטענץ פֿון טונקעלער מאַטעריע, בשעת פּאַרטיקל־פֿיזיק פּרוּווט צו ידענטיפֿיצירן אירע קאָמפּאָנענט־פּאַרטיקלען.
טונקעלע ענערגיע און די גרענעצן פון טעאָרעטישע מאָדעלן
אין צוגאב צו טונקעלער מאַטעריע, ווערט דער אוניווערס אויך דאָמינירט דורך טונקעלער ענערגיע - אַ מיסטעריעזער קאָמפּאָנענט וואָס פאַרשאַפט דעם אוניווערס צו עקספּאַנדירן שנעלער. אין דעם ראַם פון אַלגעמיינער רעלאַטיוויטעט, ווערט טונקעלער ענערגיע אָפט מאָדעלירט ווי אַ קאָסמאָלאָגישע קאָנסטאַנט. אָבער, דער באַאָבאַכטע ווערט פון דער קאָסמאָלאָגישער קאָנסטאַנט איז זייער קליין קאַמפּערד צו דער וואַקוום ענערגיע פאָרויסגעזאָגט דורך קוואַנטום פעלד טעאָריע, וואָס פירט צו דער באַרימטער קאָסמאָלאָגישער קאָנסטאַנט פּראָבלעם.
די פראגע ליגט גלייך ביים קנופּפונקט פון טיילכעל פיזיק און קאסמאָלאָגיע: וואַקוום ענערגיע איז אַ קוואַנטום באַגריף, בשעת אירע ווירקונגען ווערן געזען אין קאָסמישער דינאַמיק. מעגלעכע לייזונגען אַרייַננעמען מאָדיפיקאַציעס צו גראַוויטאַציע, דינאַמישע פעלדער ווי קווינטעסענס, אָדער אַנדערע געדאנקען פון פונדאַמענטאַלער טעאָריע. ביז היינט בלייבט טונקעלע ענערגיע אַ גרויסע רעטעניש און קען אָנווייַזן אַז אונדזער פארשטאנד פון פּלאַץ, צייט און דעם קוואַנטום וואַקוום בלייבט אומפארענדיקט.
קאָסמישע נעוטרינאָס: ליכטיקע פּאַרטיקלען מיט גרויסן אימפּאַקט
נעטרינאָס, גאָר לייכטע און זעלטן אינטעראַקטירנדיקע פּאַרטיקלעך, שפּילן אַ קריטישע ראָלע אין קאָסמאָלאָגיע. זיי השפּעה האָבן אויף דער עקספּאַנסיע קורס פון דער פרי אוניווערס און השפּעה האָבן אויף סטרוקטור פאָרמירונג דורך זייער "פריי-סטרימינג" ווירקונג - זיי רירן זיך שנעל און גלאַטן אויס קלאַמפּס פון מאַטעריע אויף ספּעציפֿישע וואָג. דעריבער, אָבסערוואַציעס פון די CMB און גאַלאַקסיע סורוועיס קענען צושטעלן באַגרענעצונגען אויף דער גאַנצער נעטרינאָ מאַסע. דאָס קאַמפּלעמענטירט לאַבאָראַטאָריע עקספּערימענטן וואָס מעסטן נעטרינאָ מאַסע דורך ביתא דיקיי אָדער נעטרינאָ אָסצילאַציעס.
אזוי, נייטרינאס געבן א קלאר ביישפיל פון ווי אזוי טיילכלעך וואס זענען שווער צו דעטעקטירן אין לאבאראטאריע לאזן טאקע שפורן וואס קענען אויסגעפארשט ווערן אויף א קאסמישן פארנעם.
מסקנא: צוויי פֿענצטער, איין רעאַליטעט
טיילכעל פיזיק און קאסמאלאגיע שטודירן אין עיקר די זעלבע רעאליטעט פון צוויי פארשידענע פערספעקטיוון. טיילכעל פיזיק אנטפלעקט די מערסט פונדאַמענטאַלע "רעגולאציעס פון שפּיל", בשעת קאסמאלאגיע ווייזט ווי יענע רעגולאציעס פארמען די געשיכטע פון די אוניווערס. ווען מיר קאָמבינירן די צוויי, באַקומען מיר אַ מער פולשטענדיק פארשטאנד: די פריע אוניווערס ווי אַ הויך-ענערגיע עקספּערימענט, טונקעלע מאַטעריע ווי אַ נייַ טיילכעל פּראָבלעם, ינפלאַציע ווי אַ קוואַנטום פעלד דערשיינונג, און טונקעלע ענערגיע ווי אַ אַרויסרופן צו די טעאָריעס פון וואַקוום און גראַוויטאַציע.
אין דער צוקונפט, וועלן פארשריטן אין טעלעסקאָפּן, גראַוויטאַציאָנעלע כוואַליע דעטעקטאָרן, גרויס-מאָסשטאַביגע גאַלאַקסיע אויספאָרשונגען, און מער סענסיטיווע טיילכעל עקספּערימענטן פארשטארקן די פֿאַרבינדונג. יעדע נייע שטיק דאַטן פֿון הימל און לאַבאָראַטאָריע האט די פּאָטענציעל צו עפענען דעם קומענדיקן קאַפּיטל אין גרויסע פֿראַגעס: וואָס זענען די מערסט יסודותדיקע געזעצן פֿון נאַטור, פֿון וואַנען איז דער אוניווערס געקומען, און וואָס וועט מיט אים פּאַסירן אין סוף?
