在宇宙誕生的瞬間之後，我們的宇宙在極短的時間內經歷了驚人的膨脹，尺寸至少擴大了 10^26 倍。大多數宇宙學家都堅持這種觀點，儘管是什麼引發和結束了這場狂野的膨脹仍然是個謎。現在，科學家們越來越想知道，歐洲的歷史上最強大的粒子對撞機，大型強子對撞機（LHC），是否可以透過捕捉到其背後的粒子，來揭示這種被稱為宇宙膨脹的神秘增長。有可能對撞機當前實驗的主要目標，希格斯玻色子，它被認為賦予所有物質質量，也可能是這種膨脹的推動力。
在宇宙膨脹期間，時空被認為以加速的速度膨脹，體積從大約原子大小的萬億分之一膨脹到硬幣大小。這種快速膨脹將有助於解釋為什麼今天的宇宙如此異常均勻，物質和能量的分佈只有非常微小的變化。膨脹還將有助於解釋為什麼宇宙在大尺度上顯得幾何上是平坦的，這意味著空間的結構不會以彎曲光束和物體在其內部傳播路徑的方式彎曲。
宇宙膨脹背後的粒子或場，被稱為“暴脹子”，被認為具有非常不尋常的特性：它產生排斥引力場。為了使空間像過去那樣深刻而短暫地膨脹，整個空間的場能量必須隨時間變化強度，從非常高到非常低，根據理論物理學家的說法，一旦能量降到足夠低，膨脹就會結束。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
關於宇宙膨脹，還有很多未知之處，一些著名的批評者懷疑它是否真的發生過。科學家們已經觀察了宇宙微波背景輻射——大爆炸的餘輝——來排除一些宇宙膨脹情景。“但這無法告訴我們關於暴脹子本身的性質，”英格蘭蘭卡斯特大學的粒子宇宙學家阿努潘·馬祖姆達爾說，例如它的質量或它可能與其他粒子相互作用的具體方式。
許多研究團隊已經提出了關於大型強子對撞機如何發現暴脹子的競爭性想法。懷疑論者認為，任何地球上的粒子對撞機都不太可能揭示宇宙膨脹，因為人們可以想象的宇宙膨脹的最高能量密度將比大型強子對撞機的能力高出約 10^50 倍。然而，由於宇宙膨脹的強度隨時間變化，科學家們認為，大型強子對撞機可能至少有足夠的能量來重現宇宙膨脹的最後階段。
有可能正在進行的對撞機執行旨在探測的主要粒子，希格斯玻色子，也可能是宇宙膨脹的潛在因素。
“只有當希格斯玻色子的質量位於大型強子對撞機可以觀測到的特定區間內時，希格斯玻色子驅動宇宙膨脹的想法才有可能實現，”瑞士洛桑聯邦理工學院的理論物理學家米哈伊爾·沙波什尼科夫說。事實上，希格斯玻色子的證據已在大型強子對撞機被報道，其質量約為 1250 億電子伏特，大致相當於 125 個氫原子的質量。
同樣耐人尋味的是：希格斯玻色子以及暴脹子都被認為強度隨時間變化。事實上，宇宙膨脹理論的發明者，麻省理工學院的宇宙學家艾倫·古思最初假設宇宙膨脹是由一個假想的大統一理論的希格斯場驅動的。
所謂的希格斯膨脹模型的優點在於，它們可能在當前的粒子物理學標準模型中解釋宇宙膨脹，該模型成功地描述了大多數已知粒子和力的行為。今年夏天，人們對希格斯玻色子的興趣正在升溫，因為執行大型強子對撞機的瑞士日內瓦歐洲核子研究中心表示，它將在 7 月初宣佈關於該粒子的備受期待的發現。
這些模型中的許多問題在於，當它們執行時，希格斯玻色子的能量下降得太快，因此不會產生在宇宙微波背景輻射中看到的波動。因此，它們需要額外的場來完成宇宙膨脹的所有效應，從而破壞了人們最初希望從這些模型中獲得的簡單性。
沙波什尼科夫和康涅狄格大學的同事費多爾·別茲魯科夫在 2007 年提出的希格斯膨脹模型（pdf）透過提出希格斯玻色子與其他粒子的引力相互作用方式不同，消除了對這種額外場的需求。這將允許希格斯玻色子保持其能量足夠長的時間，以產生我們今天看到的宇宙。馬祖姆達爾說，這個想法面臨的困難是，為什麼希格斯玻色子會與其他粒子沒有的引力有這種特殊的關係，或者為什麼它會像提議的那樣非常微弱地相互作用。
相反，馬祖姆達爾和其他人提出，大型強子對撞機可能探測到的其他粒子可能會揭示宇宙膨脹。他們提出的模型根植於超對稱理論，該理論將兩種已知的基本粒子型別聯絡起來，即構成物質的粒子（費米子）和攜帶基本力的粒子（玻色子），預測每個費米子都有一個更重的玻色子對應物，反之亦然。在大型強子對撞機上發現超對稱粒子或“超粒子”可能有助於解決標準模型中的關鍵謎團。例如，被認為構成宇宙中大部分質量的不可見的暗物質可能是一種稱為中性子的超粒子。馬祖姆達爾說，如果暴脹子也是一種超粒子，那麼它的能量密度一定最終相對較低，可能是大型強子對撞機可以探測到的；否則，暴脹子將有助於產生比我們在宇宙中看到的普通物質與暗物質的比例更低的比例。
如果大型強子對撞機透過發現超粒子證明超對稱性是正確的，馬祖姆達爾的分析表明，暴脹子將是一種質量約為 1 萬億電子伏特的超粒子。相比之下，大型強子對撞機能夠達到高達 7 萬億電子伏特的能量。今年 5 月，馬祖姆達爾的團隊向宇宙學和天體粒子物理學雜誌提交了關於大型強子對撞機如何發現暴脹子的研究。
或者，馬祖姆達爾說，存在超對稱性情景，其中希格斯玻色子是暴脹子，要麼透過與超粒子（如中微子的超伴子）相互作用，要麼透過自身相互作用，這項工作在 2007 年的物理評論快報和 2011 年的宇宙學和天體粒子物理學雜誌中分別詳細說明了2007 年和2011 年。
然而，來自大型強子對撞機的最新資料可能表明，許多當前的超對稱性模型可能是錯誤的，因為實驗尚未發現模型預測的任何超粒子。
“最終，如果大型強子對撞機發現了希格斯玻色子而沒有其他發現，對我來說，這將有利於希格斯膨脹模型；如果大型強子對撞機發現了超對稱粒子或任何其他型別的新物理學，該模型就不會那麼有吸引力，”沙波什尼科夫說。“希望我們應該在歐洲核子研究中心 7 月 4 日更新希格斯玻色子搜尋結果時，以及在 7 月晚些時候在澳大利亞舉行的國際高能物理會議上搜索新物理學時，更多地瞭解情況。”
古思認為，宇宙膨脹的能量尺度很可能遠遠超出大型強子對撞機可用的能量尺度。“但我們不確定，”他說，並補充說研究人員應該使用歐洲粒子對撞機來探索這些想法。“令人興奮的是，大型強子對撞機實際上有可能發現驅動宇宙膨脹的場，”古思總結道。