宇宙論における素粒子物理学

素粒子物理学は高エネルギーでの素粒子の相互作用を研究する学問であり、一方、物理宇宙論は宇宙を単一の物理的実体として研究する学問です。これら 2 つの分野の境界は、粒子宇宙論と呼ばれることもあります。平均エネルギー密度が非常に高かった初期宇宙の宇宙論モデルでは、粒子物理学を考慮に入れる必要があります。粒子対生成、散乱、崩壊のプロセスが宇宙論に影響を及ぼします。

大まかな近似として、粒子の散乱または崩壊の過程が特定の宇宙論的時代において重要であるのは、その時間スケールが宇宙の膨張の時間スケールよりも短いかそれに近い場合です。後者の量は であり、ここで は時間依存のハッブルパラメータです。これは、その時点での宇宙の年齢とほぼ等しくなります。 ${\displaystyle {\frac {1}{H}}}$${\displaystyle H}$

たとえば、パイ中間子の平均崩壊寿命は約 26ナノ秒です。これは、ビッグバンからほぼそのくらいの時間が経過するまで、パイ中間子の崩壊を伴う素粒子物理学のプロセスは無視できることを意味します。

宇宙マイクロ波背景放射や宇宙の元素存在比などの現象に関する宇宙論的観測は、素粒子物理学の標準モデルの予測と相まって、初期宇宙の物理的条件に制約を課す。標準モデルがこれらの観測を説明することに成功していることは、実験室で作り出せる条件を超えた条件下での標準モデルの妥当性を裏付けている。逆に、暗黒物質や重粒子の非対称性など、宇宙論的観測によって発見された現象は、標準モデルを超えた物理学の存在を示唆している。

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• ペンシルバニア大学粒子宇宙論センター