Fizika elementarnih čestica proučava osobine i interakcije najmanjih delova materije. Astrofizika proučava ono što se dešava u našem sveukupnom univerzumu. Astrofizičari žele da znaju šta je činilo rani univerzum i šta danas čini naš univerzum. Fizičari čestica žele da znaju da li postoje neotkrivene čestice.

Iako izgleda da su fizika čestica i astrofizika dijametralno suprotne naučne oblasti, naučnici ova dva polja zapravo zavise jedni od drugih. Nekoliko pravaca istraživanja povezuje veoma veliko i veoma malo.

Zajedničko je i za fizičare čestica i astrofizičare da se interesuju za razvoj i rast ranog univerzuma. O najbržem periodu tog rasta, nazvanog kosmička inflacija, Eva Silverstein, profesor fizike na Stanfordu kaže: „Za mene je tema naročito zanimljiva jer možete shvatiti poreklo strukture u svemiru. Paradigma poznata pod nazivom inflacija predstavlja poreklo strukture na najjednostavniji i najljepši način koji fizičar može zamisliti.“

Naučnici smatraju da se posle Velikog praska univerzum ohladio i čestice počele da se kombinuju u atome vodonika. Ovaj proces je oslobodio prethodno zarobljene elementarne čestice svetlosti, fotone. Sjaj tog svetla, koje se zove kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje zadržalo se na nebu do danas. Naučnici proučavaju različite karakteristike ovog zračenja da bi saznali šta se dogodilo u prvim trenucima posle Velikog praska.

Prema naučnim modelima, obrazac koji se prvi put formirao na subatomskom nivou, na kraju je postao osnova strukture celog univerzuma. Mesta sa velikom gustinom subatomskih čestica – ili čak samo virtuelne fluktuacije subatomskih čestica, privlačila su sve više i više materije. Kako je rastao svemir, ove guste oblasti postale su mesta gde su formirane galaksije i galaktička jata. Malo je postalo veoma veliko.

Pokušaji da se objasni uzajamno gravitaciono delovanje galaksija su iznedrili pojam tamne materije i energije. Postojanje tamne materije se uočava u gravitacionim efektima kao posledice njene interakcije sa običnom materijom u galaksijama i galaktičkim jatima. Ova zapažanja ukazuju da je svemir sastavljen od otprilike 5% normalne, hadronske materije, 25% tamne materije i 70% tamne energije. Michael Peskin, profesor teorijske fizike u SLAC-u kaže: „Koliko je atomske materije koju vidimo u svemiru, pet puta je više tamne materije a mi nemamo pojma šta je to.“ Ali do danas, naučnici nisu direktno posmatrali tamnu energiju ili tamnu materiju.

Naučnici koji proučavaju kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje se nadaju da će više naučiti o rastu svemira i da će dobiti uvid u tamnu materiju, tamnu energiju i masu neutrina.

„Tamna materija čini najveći deo materije u svemiru, ali nijedna poznata čestica u Standardnom modelu fizike čestica nema svojstva koja bi tome odgovarala“, kaže Michael Peskin. „Tamna materija treba da bude veoma slabo interaktivna, teška ili usporena i stabilna tokom celog života svemira.“

Neki eksperimenti traže direktne dokaze o čestici tamne materije koja se sudara sa česticom materije u detektoru. Drugi traže indirektne dokaze čestica tamne materije koje se mešaju u druge procese ili se kriju u kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini. Ako tamna materija ima svojstva, naučnici bi ih potencijalno mogli stvoriti u akceleratoru čestica kao što je Large Hadron Collider. Fizičari žele aktivne znake tamne energije. Moguće je meriti svojstva tamne energije posmatrajući kretanje galaktičkih jata na najvećim rastojanjima koja možemo videti u svemiru.

Jedan od pravca istraživanja koji povezuje veoma malo i veoma veliko a koji povezuje fizičare čestica i astrofizičare oko kojeg se oni sve više usaglašavaju je gravitacija. Za fizičare čestica gravitacija je jedna od osnovnih sila prirode koju standardni model čestica ne objašnjava sasvim dovoljno. Astrofizičari žele da shvate važnu ulogu gravitacije koju je ona imala i nastavlja da ima u formiranju univerzuma.

U Standardnom modelu, svaka sila ima česticu nosača sila ili bozon. Elektromagnetizam ima fotone. Jaka sila ima gluone. Slaba sila ima V i Z bozone. Kada čestice komuniciraju putem sile, prenose i razmenjuju male količine informacija koji se zovu kvanti, što proučava kvantna mehanika.

Opšta relativnost objašnjava kako gravitaciona sila radi na velikim skalama: Zemlja privlači svoja tela, a planetarni objekti privlače jedni druge. Ali ne razumemo kako se gravitacija prenosi kvantnim česticama.

Otkrivanje subatomske čestice nosača sile gravitacije, gravitona bi pomoglo u objašnjenju kako gravitacija radi na malim skalama i omogućilo kvantnoj teoriji gravitacije da poveže Opštu teoriju relativnost i kvantnu mehaniku.

U poređenju sa ostalim osnovnim silama, gravitacija veoma slabo deluje sa materijom, ali snaga interakcije brzo postaje veća sa većom energijom. Teoretičari predviđaju da su u dovoljno visokim količinama energije, poput onih u ranom univerzumu, efekti kvantne gravitacije jači kao i druge sile. Gravitacija je odigrala suštinsku ulogu u prenošenju obrasca male skale od kosmičkog pozadinskog mikrotalasnog zračenja u obrazac velike skale našeg univerzuma danas.

Naše razumevanje gravitacije je ključno u potrazi za tamnom materijom. Neki naučnici smatraju da tamna materija zapravo ne postoji; kažu da su dosadašnji dokazi samo znak da ne razumemo silu gravitacije.

Saznanje o gravitaciji nam može reći o mračnom dobu univerzuma, što bi nam moglo dati novi uvid u to kako se struktura u svemiru prvi put formirala.

Naučnici pokušavaju da „zatvore petlju“ između fizike čestica i ranog univerzuma, kaže Peskin. Kako naučnici proučavaju svemir i vraćaju se dalje u vremenu, oni mogu saznati više o pravilima koja regulišu fiziku visokih energija, što nam takođe govori o najmanjim komponentama našeg sveta.

Detaljnije na: Symmetry

SVE JE FIZIKA Miša Bracić