Ранняя Вселенная и Великое Объединение: Связь между Распадами Протонов и Реликтовым Излучением

от

Автор: Денис Аветисян

Новая модель объединяет теорию Великого Объединения частиц с инфляционной космологией, предлагая уникальную возможность для поиска топологических дефектов во Вселенной.

Единая теоретическая модель Палатини $SO(10)SO(10)$ с добавлением $ℛ^{2}$ инфляции одновременно связывает динамику инфляционной эпохи, подтверждаемую наблюдениями реликтового излучения (BICEP, SPIDER, Planck, Simons Observatory, Hazumi, ACT), механизм нарушения симметрии великого объединения, исследуемый в экспериментах по поиску протонного распада (Super-Kamiokande, DUNE, Hyper-Kamiokande), и образование топологических дефектов, ограничения на которые накладываются поисками монополей (MACRO), а также будущими экспериментами (Hyper-Kamiokande, DUNE), демонстрируя взаимосвязь между космологией, физикой частиц и фундаментальными симметриями.
Единая теоретическая модель Палатини $SO(10)SO(10)$ с добавлением $ℛ^{2}$ инфляции одновременно связывает динамику инфляционной эпохи, подтверждаемую наблюдениями реликтового излучения (BICEP, SPIDER, Planck, Simons Observatory, Hazumi, ACT), механизм нарушения симметрии великого объединения, исследуемый в экспериментах по поиску протонного распада (Super-Kamiokande, DUNE, Hyper-Kamiokande), и образование топологических дефектов, ограничения на которые накладываются поисками монополей (MACRO), а также будущими экспериментами (Hyper-Kamiokande, DUNE), демонстрируя взаимосвязь между космологией, физикой частиц и фундаментальными симметриями.

Данная работа представляет собой UV-полную структуру для инфляционной космологии в рамках S​O​(10) теории Великого Объединения, устанавливающую связь между ранней Вселенной, физикой частиц и потенциальным обнаружением топологических дефектов, таких как монополи, через наблюдения реликтового излучения и эксперименты по поиску распада протонов.

Совмещение моделей ранней Вселенной с фундаментальными взаимодействиями частиц остается сложной задачей современной космологии. В работе «Grand Unification Higgs-$\mathcal{R}^2$ Inflation: Complementarity between Proton Decay and CMB Observables» предложена предсказательная схема инфляционной космологии в рамках $SO(10)$ великого объединения, использующая гравитацию Палатини и гиггсовское поле, одновременно приводящее к инфляции и спонтанному нарушению симметрии. Полученные результаты демонстрируют связь между параметрами инфляции, масштабом великого объединения, предсказаниями о реликтовом излучении и ожидаемым временем жизни протона, открывая возможности для проверки данной модели с помощью будущих экспериментов, таких как Hyper-Kamiokande и LiteBIRD. Сможет ли сопоставление данных о реликтовом излучении и результатах экспериментов по поиску распада протона пролить свет на физику самых ранних моментов существования Вселенной?

Начало Всего: Космическая Инфляция и Её Загадки

Стандартная космологическая модель предполагает, что чрезвычайно быстрое расширение Вселенной в ранние моменты после Большого взрыва – космическая инфляция – сформировала крупномасштабную структуру, которую мы наблюдаем сегодня. Однако точный физический механизм, управляющий этой инфляцией, остаётся нерешённой проблемой. Традиционные модели сталкиваются с трудностями, требуя введения дополнительных параметров. Это стимулирует поиск альтернативных сценариев и углублённое изучение фундаментальной физики. Ранние модели страдали от тонкой настройки параметров, что привело к исследованиям модифицированных теорий гравитации и новых полей.

Figure 2:Inflationary predictions for the spectral indexnsn\_{s}and the tensor-to-scalar ratiorrare shown for different values ofMM(inmPlm\_{\rm Pl}units) and varying reheating temperatures (top), while the running of the spectral indexαs\alpha\_{s}as a function ofnsn\_{s}is shown in thebottompanel.
Figure 2:Inflationary predictions for the spectral indexnsn\_{s}and the tensor-to-scalar ratiorrare shown for different values ofMM(inmPlm\_{\rm Pl}units) and varying reheating temperatures (top), while the running of the spectral indexαs\alpha\_{s}as a function ofnsn\_{s}is shown in thebottompanel.

Любая гипотеза о сингулярности – лишь попытка удержать бесконечность на листе бумаги.

Модифицированная Гравитация и Инфляция Старобинского

Инфляция Старобинского предполагает, что модифицированное гравитационное действие, включающее член $R^2$, может естественным образом привести к эпохе инфляции. Этот член изменяет гравитационную динамику, предоставляя потенциальный механизм быстрого расширения Вселенной. Палатинская гравитация, рассматривающая метрику и аффинное соединение независимо, может дополнительно модифицировать и уточнить предсказания инфляции Старобинского.

Figure 4:Predictions for the inflationary observables of the Coleman–Weinberg potential in theℛ2\mathcal{R}^{2}Palatini formalism are shown for theϕ>M\phi>Mcase, over a range of values of the non-minimal coupling parameterξ\xiand for different choices of theℛ2\mathcal{R}^{2}parameterα\alpha. We fixM=50​mPlM=50\,m\_{\mathrm{Pl}}andωr=1/3\omega\_{r}=1/3. The blue star corresponds to the points shown in Figs.8,9,10, and11.
Figure 4:Predictions for the inflationary observables of the Coleman–Weinberg potential in theℛ2\mathcal{R}^{2}Palatini formalism are shown for theϕ>M\phi>Mcase, over a range of values of the non-minimal coupling parameterξ\xiand for different choices of theℛ2\mathcal{R}^{2}parameterα\alpha. We fixM=50​mPlM=50\,m\_{\mathrm{Pl}}andωr=1/3\omega\_{r}=1/3. The blue star corresponds to the points shown in Figs.8,9,10, and11.

Инфляция, Управляемая Полем Хиггса и Квантовые Коррекции

Модель инфляции Хиггса постулирует, что поле Хиггса само по себе являлось инфлатоном – скалярным полем, ответственным за расширение Вселенной. Это предлагает альтернативу традиционным моделям, требующим введения новых полей. Важным аспектом является естественное включение неминимального взаимодействия между полем Хиггса и гравитацией, что потенциально решает проблемы тонкой настройки. Форма инфляционного потенциала играет ключевую роль. Потенциал Колемана-Вайнберга, возникающий из квантовых поправок, предоставляет жизнеспособный потенциал для инфлатона.

За Пределами Стандартной Модели: Объединение Сил и Предсказание Топологии

Теории великого объединения (GUT) на основе группы $SO(10)$ стремятся к объединению сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий при чрезвычайно высоких энергиях, предсказывая существование топологических дефектов, таких как магнитные монополи. Шкала великого объединения тесно связана с потенциалом инфляции и наблюдаемыми космологическими параметрами. В рамках этих моделей предсказывается отношение тензорных возмущений к скалярным возмущениям ($r$) примерно равное $8 \times 10^{-4}$, что согласуется с будущими экспериментами. Также предсказывается спектральный индекс скалярных возмущений ($n_s$) в диапазоне от 0.955 до 0.974.

Figure 10:Unification solutions (plot ofMUM\_{U}vs.MIM\_{I}) for the breaking chainS​O​(10)→MUS​U​(4)C×S​U​(2)L×S​U​(2)R→MIS​U​(3)C×S​U​(2)L×S​U​(2)R×U​(1)B−L→MI​IS​U​(3)C×S​U​(2)L×U​(1)YSO(10)\xrightarrow{M\_{U}}SU(4)\_{C}\times SU(2)\_{L}\times SU(2)\_{R}\xrightarrow{M\_{I}}SU(3)\_{C}\times SU(2)\_{L}\times SU(2)\_{R}\times U(1)\_{B-L}\xrightarrow{M\_{II}}SU(3)\_{C}\times SU(2)\_{L}\times U(1)\_{Y}. The vertical shaded regions indicate the range of the intermediate scaleMIM\_{I}associated with monopoles for the different cases shown. Thebottompanel corresponds to theϕ>M\phi>Mbranch. The blue star corresponds to(MU/GeV,r)∼(8.7×1015,8×10−4)(M\_{U}/\text{GeV},\,r)\sim(8.7\times 10^{15},\,8\times 10^{-4}), and consistent with the ones shown in Figs.4,8,9, and11. The horizontal shaded region for DUNE, refers to the ruled-out values.
Figure 10:Unification solutions $(plot ofMUM\_{U}vs.MIM\_{I})$ for the breaking chainS​O​(10)→MUS​U​(4)C×S​U​(2)L×S​U​(2)R→MIS​U​(3)C×S​U​(2)L×S​U​(2)R×U​(1)B−L→MI​IS​U​(3)C×S​U​(2)L×U​(1)YSO(10)\xrightarrow{M\_{U}}SU(4)\_{C}\times SU(2)\_{L}\times SU(2)\_{R}\xrightarrow{M\_{I}}SU(3)\_{C}\times SU(2)\_{L}\times SU(2)\_{R}\times U(1)\_{B-L}\xrightarrow{M\_{II}}SU(3)\_{C}\times SU(2)\_{L}\times U(1)\_{Y}. The vertical shaded regions indicate the range of the intermediate scaleMIM\_{I}associated with monopoles for the different cases shown. Thebottompanel corresponds to theϕ>M\phi>Mbranch. The blue star corresponds to$(MU/GeV,r)∼(8.7×1015,8×10−4)(M\_{U}/\text{GeV},\,r)\sim(8.7\times 10^{15},\,8\times 10^{-4})$, and consistent with the ones shown in Figs.4,8,9, and11. The horizontal shaded region for DUNE, refers to the ruled-out values.

Подобно тому, как мы пытаемся удержать свет в ладони, так и каждая наша теория – лишь приближение к истине, обречённое на неточность с течением времени.

Представленная работа, стремясь к объединению фундаментальных сил и описанию самых ранних моментов существования Вселенной, неизбежно сталкивается с границами познания. Попытки построить единую теорию, связывающую физику частиц и космологию, напоминают взгляд в бездну – чем глубже погружаешься, тем отчетливее понимаешь, насколько мало известно. Эрвин Шрёдингер однажды заметил: «Нельзя сказать, что мы понимаем сингулярность». И вправду, предложенный механизм инфляции, основанный на теории SO(10) и гравитации Палатини, хоть и элегантен в своей математической стройности, всё же остается лишь моделью, эхом наблюдаемого. В горизонте событий, будь то чёрная дыра или сингулярность Большого Взрыва, любая уверенность в понимании растворяется во тьме.

Что впереди?

Представленная работа, стремясь объединить инфляционную космологию и физику элементарных частиц в рамках теории S​O​(10), неизбежно наталкивается на предел познания. Связь между распадом протона и флуктуациями в космическом микроволновом фоне — это не столько предсказание, сколько указание на возможную корреляцию, которая может быть уничтожена силой гравитации. Топологические дефекты, монополи, могут остаться лишь математической тенью, не имеющей воплощения в наблюдаемой Вселенной.

Поиск космологических аттракторов, стабильных решений в многомерном пространстве параметров, напоминает попытку удержать ускользающий мираж. Любая теория, претендующая на объяснение ранней Вселенной, обречена на столкновение с горизонтом событий, за которым скрыты неизвестные взаимодействия и энергии. Чёрные дыры не спорят; они поглощают, и любая попытка построить «полную» модель может оказаться лишь очередным объектом, исчезающим в их недрах.

Будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на более точных измерениях поляризации космического микроволнового фона и поисках следов распада протона. Однако необходимо помнить, что даже самые точные данные — лишь приближение к истине. Истинное понимание требует не только новых наблюдений, но и готовности отказаться от устоявшихся представлений, осознавая, что любое предсказание — лишь вероятность, а горизонт событий всегда ближе, чем кажется.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.05673.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

Извините. Данных пока нет.

2025-11-12 01:51