宇宙の相転移

宇宙の相転移は、物質の全体的な状態が宇宙全体で同時に変化する物理的なプロセスです。ビッグバンモデルの成功により、研究者は宇宙の非常に初期の、現在よりもはるかに高温で高密度だった時代に宇宙の相転移が起こった可能性があると推測するようになりました。^{[1] [2]}

宇宙の相転移は、たとえそれがビッグバン後の最初の瞬間、宇宙が光に対して不透明だったときに起こったものであっても、今日観測可能な信号を残している可能性がある。^[3]

相転移は、その順序によって分類できます。一次の転移は気泡の核形成によって進行し、気泡が膨張するときに 潜熱を放出します。

宇宙が熱いビッグバンの後に冷却するにつれて、このような相転移は熱と成長する泡の運動エネルギーの両方として膨大な量のエネルギーを放出したであろう。強い一次相転移では、泡の壁は光速近くで成長するかもしれない。 [ ^{4]これは今度は、}重力波の確率的背景の生成につながるだろう。^{[2] [5]} NANOGravやLISAなどの実験は、この信号に敏感であるかもしれない。^{[6] [7]}

以下に示すのは、第一次の宇宙相転移の進化のシミュレーションからの2つのスナップショットです。^[8]泡は最初に核形成し、次に膨張して衝突し、最終的に宇宙をある相から別の相に変換します。

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  初期段階: 最初の泡が核形成して拡大します。
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  後期段階: 重なり合うバブルの衝突。

素粒子物理学の標準モデルには、電磁力、弱い力、強い力という3つの基本的な力が含まれています。ビッグバン直後、非常に高い温度によりこれらの力の特性が変化した可能性があります。これら3つの力は現在では異なる働きをしますが、初期宇宙の高温時には統一されていたのではないかと推測されています。^{[9] [10]}

現在、強い力はクォークを陽子と中性子に束縛しており、これは色の閉じ込めとして知られる現象である。しかし、十分に高い温度では、陽子と中性子は分離して自由なクォークになる。強い力の相転移はクォークの時代の終わりを示す。格子QCDに基づくこの転移の研究では、約155 MeVの温度で起こり、スムーズなクロスオーバー転移であったことが実証されている。^[11]

この結論は、遷移時の最も単純なシナリオを想定しており、クォーク、重粒子、ニュートリノの化学ポテンシャル、または強い磁場の存在下では、一次または二次の遷移が可能である。^{[12] [13] [14]} 考えられるさまざまな相転移の種類は、強い力の相図にまとめられている。

電弱相転移はヒッグス機構が初めて活性化した瞬間であり、電弱時代を終わらせた。^{[15] [16]強い力の場合と同様に、電弱模型の格子研究では、転移は}159.5 ± 1.5 GeV で起こる滑らかなクロスオーバーであることがわかった。^[17]

遷移がクロスオーバーであるという結論は、最小のシナリオを前提としており、追加の場や粒子の存在によって修正される。暗黒物質を考慮したり、バリオン生成を成功させたりした粒子物理学モデルは、強い一次電弱相転移を予測する可能性がある。^[18]

もし標準モデルの3つの力が大統一理論で統一されているなら、力が最初に分離した瞬間に対応する、さらに高い温度での宇宙論的相転移があったはずだ。^{[9] [10]}宇宙論的相転移は、目に見える物質と非常に弱くしか結合していない粒子や場の間​​で、暗黒領域または隠れた領域で起こった可能性もある。 ^[19]

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