Uusi hiukkasfysiikan tulos pyrkii selittämään antiaineen puuttumisen maailmankaikkeudesta

14.11.2018
Uuden tietokonesimulaation avulla voidaan kenties selittää se, miksi maailmankaikkeudessa on paljon enemmän ainetta kuin antiainetta. Tuore tutkimus täydentää myös hiukkasfysiikan teoriaa. 

Helsingin yliopiston tutkijat selvittivät yhdessä kansainvälisten kollegoidensa kanssa, miten varhaisen maailmankaikkeuden olosuhteet muuttuvat, jos yleisesti hyväksyttyyn hiukkasfysiikan Standardimalliin lisätään kahden Higgs-dubletin eli 2HDM-teorian ennustamat neljä ylimääräistä, tähän mennessä havaitsematonta hiukkasta. 

Arvostetussa Physical Review Letters -lehdessä julkaistun työn päähavainto on, että 2HDM-teoria voi kyetä selittämään yhden nykykosmologian suurimmista ongelmista: miksi maailmankaikkeudessa on niin paljon enemmän tavallista ainetta kuin antiainetta. 

Hiukkasfysiikan Standardimalli ennustaa vain häviävän pienen eron maailmankaikkeudessa havaittavien tavallisen aineen ja antiaineen tiheyksien välille. Tämä ennuste on kuitenkin räikeässä ristiriidassa sen tosiasian kanssa, ettei antiainetta näytä löytyvän nykyuniversumista käytännössä lainkaan. Näin ollen aineen ja antiaineen tiheyksien epäsymmetrian – lyhyesti baryogeneesin – selitys onkin muodostunut yhdeksi nykykosmologian ja -hiukkasfysiikan suurimmista haasteista.

Baryogeneesin ohella standardimalli ei pysty selittämään kaikkia kosmologisia havaintoja kuten ns. pimeän aineen ongelmaa. Standardimallin mahdollisten, havaintojen kanssa yhtäpitävien yleistysten etsimisestä onkin tullut yksi hiukkasfysiikan vilkkaimmin tutkituista aloista ja 2HDM-teoriasta puolestaan yksi johtavista ehdokkaista tällaiseksi teoriaksi. Tähän asti on kuitenkin ollut epäselvää, pystyisikö 2HDM selittämään baryogeneesin ongelman.
 
Noin kymmenen pikosekuntia eli sekunnin biljoonasosaa alkuräjähdyksen jälkeen, Higgsin mekanismin juuri käynnistyessä maailmankaikkeus oli täynnä kuumaa hiukkaspuuroa eli plasmaa. 

Tekniikan avulla voidaan selvittää, kuinka vahvassa epätasapainotilassa varhainen maailmankaikkeus oli Higgsin mekanismin käynnistyessä.

– Tutkimuksessamme käyttämämme dimensionaalisen reduktion tekniikka antaa meille mahdollisuuden korvata tätä plasmaa kuvaava monimutkainen kvanttikenttäteoria huomattavasti yksinkertaisemmalla versiolla, joka kuitenkin kuvaa sen ominaisuuksia oikein, kuvaa työtään uuden artikkelin vastaava kirjoittaja, yliopistotutkija David Weir Helsingin yliopistosta. 

– Osoittautuu, että raskaammat, hitaasti liikkuvat hiukkaset eivät ole kovin tärkeitä tämän tekniikan kannalta, joten päädyimme tarkastelemaan plasmaa paljon kustannustehokkaammalla tavalla.

Tällä Weir viittaa suhteellisen kevyisiin tietokonesimulaatioihin, jotka dimensionaalinen reduktio mahdollistaa ja joiden avulla 2HDM-teoriaa voidaan tutkia varhaisen maailmankaikkeuden oloissa. 

Tekniikan avulla voidaan selvittää, kuinka vahvassa epätasapainotilassa varhainen maailmankaikkeus oli Higgsin mekanismin käynnistyessä, mikä on tärkeä edellytys aineen ja antiaineen epäsymmetrian syntymiselle. 

– Tuloksemme osoittavat, että antimaterian puuttuminen on todellakin mahdollista selittää 2HDM-mallin puitteissa, Weir toteaa.

Jos Higgsin mekanismi todella käynnistyi niin dramaattisella tavalla kuin mihin uudet tulokset viittaavat, prosessin kokeellinen tutkiminen voi tulla mahdolliseksi lähitulevaisuudessa. Tässä tapauksessa varhainen maailmankaikkeus on nimittäin ollut täynnä nopeasti laajentuvia ns. Higgs-kuplia, joiden törmäykset saavat aikaan gravitaatioaaltoja. Helsingin yliopiston tutkijat, David Weir mukaan lukien, ovatkin paraikaa valmistelemassa LISA-projektia, jossa etsitään näiden gravitaatioaaltojen kaikuja nykymaailmankaikkeudesta.

Artikkeli Physical Review Letters -lehdessä Jens Andersen, Tyler Gorda, Andreas Helset, Lauri Niemi, Tuomas Tenkanen, Anders Tranberg, Aleksi Vuorinen and David Weir, "Nonperturbative analysis of the Electroweak phase transition in the Two Higgs Doublet Model", Phys. Rev. Lett. 121, 191802 (2018).

Lisätietoja: 

Yliopistotutkija David Weir
puh: +358 50 4485604
david.weir@helsinki.fi

Apulaisprofessori Aleksi Vuorinen
+358 50 3386725
aleksi.vuorinen@helsinki.fi