Braanikosmologia

Braanikosmologia viittaa moniin hiukkasfysiikan ja kosmologian teorioihin, jotka ovat yhteydessä säieteoriaan, supersäieteoriaan ja M-teoriaan.

Braani ja bulk
Pääidea on se, että näkyvä neliulotteinen universumi rajoittuu braaniin korkeaulotteisemmassa avaruudessa, jota kutsutaan "bulkiksi" tai "hyperavaruudeksi". Jos lisäulottuvuudet ovat kompakteja, havaitussa universumissa on lisäulottuvuuksia ja silloin ei ole tarpeen puhua bulkista. Bulkkimallissa ainakin osa lisäulottuvuuksista on laajakantoisia (mahdollisesti äärettömiä) ja muut braanit voivat liikkua bulkin läpi. Vuorovaikutus bulkin ja mahdollisesti muiden braanien kanssa voi vaikuttaa omaan braaniimme luoden standardikosmologiamallien ulottumattomissa olevia ilmiöitä.

Miksi gravitaatio on heikko ja kosmologinen vakio on pieni
Jotkin suuren lisäulottuvuuden ideaan perustuvat braanikosmologian versiot voivat selittää gravitaation heikkouden verrattuna muihin luonnon perusvoimiin. Näin ollen braanikosmologiateoria ratkaisee niin kutsutun hierarkiaongelman. Braanimallissa muut kolme perusvoimaa (sähkömagnetismi, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus) ovat kiinnitettyinä braaniin, mutta gravitaatio ei ole sidottuna braaniin, vaan ulottuu koko aika-avaruuteen, jota kutsutaan bulkiksi. Suurin osa gravitaatiovoimasta “vuotaa” braanista bulkiin. Tämän takia gravitaatiovoiman tulisi esiintyä huomattavan suurena pienessä (subatomaarisessa tai ainakin alle millimetrin) mittakaavassa, jossa voitaisiin havaita gravitaation vuotamisilmiö. Monet nykyiset empiiriset mittauskokeet yrittävät havaita tämän ilmiön. Suurten lisädimensioiden idea yhdessä bulkin supersymmetrian kanssa näyttäisi olevan lupaava ratkaisemaan kosmologisen vakion ongelman.

Braanikosmologiamallit
Yksi ensimmäisistä yrityksistä soveltaa braanikosmologiaa osaksi fysiikan teorioita oli vuonna 1983.

Kirjoittajat käsittelevät mahdollisuutta, että universumi koostuisi  ulottuvuudesta, mutta tavalliset hiukkaset olisivat rajoitettuja potentiaalikuoppaan, joka olisi kapea :ssä suunnassa ja tasainen kolmessa ulottuvuudessa.  Kirjoittajat ehdottivat viisiulotteista mallia.

Vuosina 1998-99 Merab Gogberashvili julkaisi arXiv:ssä monia artikkeleita, joissa hän osoitti, että jos universumin koostumuksen voidaan ajatella olevan viisiulotteiseen avaruuteen ulottuva ohut kuori (matemaattinen synonyymi "braanille"), on mahdollista muotoilla hiukkasfysiikan teoria, joka vastaa viisiulotteista kosmologista vakiota ja universumin paksuutta, täten antaen vastauksen hierarkiaongelmaan. Samoissa artikkeleissa todistettiin, että universumin neljäs ulottuvuus johtuu matemaattisesta stabiliteetin vaatimuksesta, koska Einsteinin kenttäyhtälöiden lisäkomponentti määrittää rajoitetun ratkaisun materiakentille, mikä on ristiriidassa yhtä stabiilisuusehtoa vastaan.

Vuonna 1999 ehdotettiin samankaltaista Randall–Sundrum mallia (RS1 ja RS2). Nämä braanikosmologian mallit ovat herättäneet huomattavaa kiinnostusta.

Myöhemmin myös kosmogonia, ekpyroottisen ja syklisen universumin teoriat luotiin. Ekpyroottisen teorian mukaan havaittava maailmankaikkeus syntyi, kun kaksi samansuuntaista braania törmäsivät.

Kokeelliset mittaukset

Toistaiseksi ei ole havaittu todisteita Randall–Sundrum -mallien edellyttämistä suurista lisäulottuvuuksista. Joulukuussa 2010 suoritetut mittaukset Large Hadron Colliderilla (“suom. suuri hadronitörmäytin”) ja tulosten analyysi eivät antaneet viitteitä sellaisten olemassaolosta.

Katso myös
Kosmologia
Kaluzan-Kleinin teoria
Kvanttikosmologia
M-teoria
Säieteoria

Lähteet

Aiheesta muualla
 Brane cosmology on arxiv.org
 Dimensional Shortcuts - evidence for sterile neutrino; (August 2007; Scientific American)

Kosmologia
Hiukkasfysiikka