Exakta Förutsägelser av Gravitationsvågor Från den Elektrosvaga Fasövergången – Test av Elektrosvag Baryogenesis

Projektbeskrivning

Projekttitel: Exakta Förutsägelser av Gravitationsvågor Från den Elektrosvaga Fasövergången – Test av Elektrosvag Baryogenesis
Huvudsökande: Andreas Ekstedt, avdelningen för högenergifysik
Beviljade medel: 3 450 000 SEK för perioden 2021-2024

Populärvetenskaplig sammanfattning

En ny era väntar inom partikelfysiken. Gnistan kom när gravitationsvågor upptäcktes av LIGO-experimentet 2015. Dessa gravitationsvågor är utspridda i hela universum och deras upptäckt gav 2017 års Nobelpris i fysik. Till skillnad från ljus så går det att följa gravitationsvågorna ända bak till bråkdelen av en sekund efter Big Bang. Det finns nu ett nytt sätt att både studera universums födelse och kanske lösa en av de största gåtorna inom partikelfysiken: Varför finns det så lite antimateria?

Antimateriapusslet uppkommer eftersom lika mängder materia och antimateria tros skapas vid Big Bang. Problemet är att vårat universum består av materia även om materia och antimateria förintas när de möts. Andelen materia som måste överleva är dock mikroskopisk; det räcker med att en på tio miljarder materiapartiklar överlever. Exakt hur denna asymmetri uppstod är okänt. Svaret kan dock komma ifrån den Elektrosvaga fasövergången.

Den Elektrosvaga växelverkan – som vid små energier ger upphov till radioaktivitet och elektromagnetism – är bygd på den Elektrosvaga symmetrin. Denna symmetri är dock inte exakt. Det betyder att partiklarna som förmedlar den svaga växelverkan har en massa, medans elektromagnetismens förmedlarpartikel, fotonen, är masslös. Det är nu verifierat att symmetrin bryts av Higgsfältet via ett så kallat spontant symmetribrott. Dock så var den Elektrosvaga symmetrin exakt vid Big Bang. Symmetrin bröts först ett fåtal nanosekunder senare vid den Elektrosvaga fasövergången. Fasövergången kan ske på olika sätt, men om fasövergången efterliknar kokande vatten så kan den ge kvarlevor i formen av gravitationsvågor. En sådan fasövergång innebär att bubblor skapas och expanderar överallt i universum, men istället för ånga så innehåller dessa bubblor ett miniuniversum där den Elektrosvaga symmetrin är bruten. Idén är att ett överskott av materia kan skapas precis framför bubblorna, som sedan fångas in när bubblorna växer.

Detta är en attraktiv idé som kan förverkligas i många modeller. Idén är dock fortfarande teoretisk och måste verifieras med kommande experiment som LISA. Gravitationsvågorna fungerar här som en kikare för att studera den Elektrosvaga fasövergången.

Men det är ett stort steg från modell till förutsägelser. Och utan noggranna beräkningar så är det omöjligt att jämföra med experimenten. Detta är vårat jobb som teoretiker. Dels måste vi undersöka vilka modeller som kan förklara bristen på antimateria, men också vilken typ av gravitationsvågor som skapas – kopplingen mellan experiment och teori är essentiell.

Gravitationsvågorna formas när bubblorna expanderar och kolliderar i det urtida universumet. Frekvensen och amplituden på dessa vågor beror på hur fasövergången sker. En stark fasövergång ger till exempel stor amplitud på gravitationsvågorna. Genom att studera gravitationsvågorna så kan vi således få en bild på den underliggande fysiken.

Parametrarna i våra modeller, till exempel elektronens massa och laddning, styr hur fasövergången går till. Men om förutsägelserna av fasövergången är otillförlitliga så kan vi dra fel slutsatser när vi jämför med experimenten. Den teoretiska beskrivningen av den Elektrosvaga fasövergången är fortfarande i ett tidigt skede. Nya metoder måste utvecklas för att göra förutsägelser. Och fältets framtid kommer att formas under de kommande åren – när experimenten startar. Detta projekt ämnar att förbättra och utveckla nya metoder så att förutsägelser av gravitationsvågor är redo när experimenten startar. Dessa metoder kommer att användas för att förutsäga fasövergången för olika modeller: Temperaturen för fasövergången; dess styrka; dess varaktighet; och hur snabbt bubblorna expanderar. Metoderna som kommer att utvecklas kräver en stark förståelse av kvantmekaniken vid höga temperaturer, och resultaten kommer direkt att förbättra vår förståelse av det urtida universumet.

Experimentsidan är redo, och teorisidan måste svara. Det är upp till oss teoretiker att anta utmaningen.

Senast uppdaterad: 2021-06-21