Разработана новая модель тёплой инфляции Вселенной с использованием Стандартной модели физики

Предсказания тёплой инфляции со Стандартной моделью для потенциала инфлатона квартного типа. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/9nn9-bsm9

Как возникла Вселенная? Существует множество теорий на этот счёт. В статье для журнала Physical Review Letters три учёных сформулировали новую модель: согласно ей, инфляция — первое, очень быстрое расширение Вселенной — происходила в тёплой среде, состоящей из известных элементарных частиц.

Кроме того, ключевую роль играет сильное взаимодействие — одна из фундаментальных сил в Стандартной модели физики элементарных частиц. Это делает возможным измерение первых долей секунды существования Вселенной здесь, на Земле.

Модель, разработанная авторами, основана на следующем сценарии: непосредственно перед Большим взрывом Вселенная прошла через очень краткую фазу ускоренного космического расширения.

Широко принятые гипотезы предполагают, что эта ранняя Вселенная была холодной и пустой, что требовало до сих пор неизвестного процесса для «запуска» горячей плазмы, наблюдаемой впоследствии — в момент собственно Большого взрыва. Существуют также модели тёплой инфляции. Авторы теперь представляют новый подход для этого типа инфляции.

«Наше исследование показывает совершенно новый путь к тёплой инфляции, — говорит Себастьян Целль, учёный из отдела «Космология и физика элементарных частиц» Института физики Макса Планка. — Даже по мере расширения ранняя Вселенная могла быть погружена в тепловую ванну из известных элементарных частиц».

Эта модель инфляции имеет преимущество перед известными на сегодня моделями: её можно в значительной степени объяснить с помощью «бортовых ресурсов», то есть хорошо изученных частиц и сил Стандартной модели. Это делает первые моменты существования Вселенной доступными для измерений на Земле.

Связь обеспечивает тепловую энергию

Однако представленный сейчас подход не обходится без расширения Стандартной модели: глюоны, которые переносят сильное взаимодействие в атомных ядрах, связываются с полем гипотетических, аксионоподобных частиц.

«Связь этих частиц с сильным взаимодействием обеспечила бы достаточную энергию для нагрева расширяющейся Вселенной, — объясняет Себастьян Целль. — Это делает тёплую инфляцию осуществимой».

Существование космических аксионов или родственных им частиц могло бы решить несколько открытых вопросов в физике элементарных частиц. Одним из примеров является природа тёмной материи. Поэтому многие эксперименты работают над обнаружением этих частиц. Один из них — MADMAX, в котором Институт физики Макса Планка играет ведущую роль.

«Учитывая эти усилия, мы видим реальный шанс проверить тёплую инфляцию в будущем эксперименте», — подводит итог Целль.

Больше информации: Kim V. Berghaus et al, Warm Inflation with the Standard Model, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/9nn9-bsm9

Интересный факт: концепция космической инфляции была впервые предложена физиком Аланом Гутом в 1980 году, чтобы объяснить, почему Вселенная выглядит одинаково в противоположных направлениях, несмотря на то, что эти регионы никогда не были в тепловом контакте. Новая модель тёплой инфляции пытается объединить эту идею со Стандартной моделью физики элементарных частиц, которая описывает все известные фундаментальные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий.