在宇宙诞生的瞬间之后，我们的宇宙在极短的时间内经历了惊人的膨胀，尺寸至少扩大了 10^26 倍。大多数宇宙学家都坚持这种观点，尽管是什么引发和结束了这场狂野的膨胀仍然是个谜。现在，科学家们越来越想知道，欧洲的历史上最强大的粒子对撞机，大型强子对撞机（LHC），是否可以通过捕捉到其背后的粒子，来揭示这种被称为宇宙膨胀的神秘增长。有可能对撞机当前实验的主要目标，希格斯玻色子，它被认为赋予所有物质质量，也可能是这种膨胀的推动力。
在宇宙膨胀期间，时空被认为以加速的速度膨胀，体积从大约原子大小的万亿分之一膨胀到硬币大小。这种快速膨胀将有助于解释为什么今天的宇宙如此异常均匀，物质和能量的分布只有非常微小的变化。膨胀还将有助于解释为什么宇宙在大尺度上显得几何上是平坦的，这意味着空间的结构不会以弯曲光束和物体在其内部传播路径的方式弯曲。
宇宙膨胀背后的粒子或场，被称为“暴胀子”，被认为具有非常不寻常的特性：它产生排斥引力场。为了使空间像过去那样深刻而短暂地膨胀，整个空间的场能量必须随时间变化强度，从非常高到非常低，根据理论物理学家的说法，一旦能量降到足够低，膨胀就会结束。
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关于宇宙膨胀，还有很多未知之处，一些著名的批评者怀疑它是否真的发生过。科学家们已经观察了宇宙微波背景辐射——大爆炸的余辉——来排除一些宇宙膨胀情景。“但这无法告诉我们关于暴胀子本身的性质，”英格兰兰卡斯特大学的粒子宇宙学家阿努潘·马祖姆达尔说，例如它的质量或它可能与其他粒子相互作用的具体方式。
许多研究团队已经提出了关于大型强子对撞机如何发现暴胀子的竞争性想法。怀疑论者认为，任何地球上的粒子对撞机都不太可能揭示宇宙膨胀，因为人们可以想象的宇宙膨胀的最高能量密度将比大型强子对撞机的能力高出约 10^50 倍。然而，由于宇宙膨胀的强度随时间变化，科学家们认为，大型强子对撞机可能至少有足够的能量来重现宇宙膨胀的最后阶段。
有可能正在进行的对撞机运行旨在探测的主要粒子，希格斯玻色子，也可能是宇宙膨胀的潜在因素。
“只有当希格斯玻色子的质量位于大型强子对撞机可以观测到的特定区间内时，希格斯玻色子驱动宇宙膨胀的想法才有可能实现，”瑞士洛桑联邦理工学院的理论物理学家米哈伊尔·沙波什尼科夫说。事实上，希格斯玻色子的证据已在大型强子对撞机被报道，其质量约为 1250 亿电子伏特，大致相当于 125 个氢原子的质量。
同样耐人寻味的是：希格斯玻色子以及暴胀子都被认为强度随时间变化。事实上，宇宙膨胀理论的发明者，麻省理工学院的宇宙学家艾伦·古思最初假设宇宙膨胀是由一个假想的大统一理论的希格斯场驱动的。
所谓的希格斯膨胀模型的优点在于，它们可能在当前的粒子物理学标准模型中解释宇宙膨胀，该模型成功地描述了大多数已知粒子和力的行为。今年夏天，人们对希格斯玻色子的兴趣正在升温，因为运行大型强子对撞机的瑞士日内瓦欧洲核子研究中心表示，它将在 7 月初宣布关于该粒子的备受期待的发现。
这些模型中的许多问题在于，当它们运行时，希格斯玻色子的能量下降得太快，因此不会产生在宇宙微波背景辐射中看到的波动。因此，它们需要额外的场来完成宇宙膨胀的所有效应，从而破坏了人们最初希望从这些模型中获得的简单性。
沙波什尼科夫和康涅狄格大学的同事费多尔·别兹鲁科夫在 2007 年提出的希格斯膨胀模型（pdf）通过提出希格斯玻色子与其他粒子的引力相互作用方式不同，消除了对这种额外场的需求。这将允许希格斯玻色子保持其能量足够长的时间，以产生我们今天看到的宇宙。马祖姆达尔说，这个想法面临的困难是，为什么希格斯玻色子会与其他粒子没有的引力有这种特殊的关系，或者为什么它会像提议的那样非常微弱地相互作用。
相反，马祖姆达尔和其他人提出，大型强子对撞机可能探测到的其他粒子可能会揭示宇宙膨胀。他们提出的模型根植于超对称理论，该理论将两种已知的基本粒子类型联系起来，即构成物质的粒子（费米子）和携带基本力的粒子（玻色子），预测每个费米子都有一个更重的玻色子对应物，反之亦然。在大型强子对撞机上发现超对称粒子或“超粒子”可能有助于解决标准模型中的关键谜团。例如，被认为构成宇宙中大部分质量的不可见的暗物质可能是一种称为中性子的超粒子。马祖姆达尔说，如果暴胀子也是一种超粒子，那么它的能量密度一定最终相对较低，可能是大型强子对撞机可以探测到的；否则，暴胀子将有助于产生比我们在宇宙中看到的普通物质与暗物质的比例更低的比例。
如果大型强子对撞机通过发现超粒子证明超对称性是正确的，马祖姆达尔的分析表明，暴胀子将是一种质量约为 1 万亿电子伏特的超粒子。相比之下，大型强子对撞机能够达到高达 7 万亿电子伏特的能量。今年 5 月，马祖姆达尔的团队向宇宙学和天体粒子物理学杂志提交了关于大型强子对撞机如何发现暴胀子的研究。
或者，马祖姆达尔说，存在超对称性情景，其中希格斯玻色子是暴胀子，要么通过与超粒子（如中微子的超伴子）相互作用，要么通过自身相互作用，这项工作在 2007 年的物理评论快报和 2011 年的宇宙学和天体粒子物理学杂志中分别详细说明了2007 年和2011 年。
然而，来自大型强子对撞机的最新数据可能表明，许多当前的超对称性模型可能是错误的，因为实验尚未发现模型预测的任何超粒子。
“最终，如果大型强子对撞机发现了希格斯玻色子而没有其他发现，对我来说，这将有利于希格斯膨胀模型；如果大型强子对撞机发现了超对称粒子或任何其他类型的新物理学，该模型就不会那么有吸引力，”沙波什尼科夫说。“希望我们应该在欧洲核子研究中心 7 月 4 日更新希格斯玻色子搜索结果时，以及在 7 月晚些时候在澳大利亚举行的国际高能物理会议上搜索新物理学时，更多地了解情况。”
古思认为，宇宙膨胀的能量尺度很可能远远超出大型强子对撞机可用的能量尺度。“但我们不确定，”他说，并补充说研究人员应该使用欧洲粒子对撞机来探索这些想法。“令人兴奋的是，大型强子对撞机实际上有可能发现驱动宇宙膨胀的场，”古思总结道。