《物理评论快报》发表的一项新研究探讨了早期宇宙中强烈过冷一级相变可以解释脉冲星计时阵列(PTA)观测到的引力波信号的可能性。

过冷相变可以解释引力波信号吗

引力波是由阿尔伯特·爱因斯坦在其广义相对论中首次提出的，是由黑洞合并等剧烈过程引起的时空结构波动。

它们于2016年首次被LIGO探测到，近一个世纪后证实了爱因斯坦的预测。黑洞最常见的来源是合并黑洞、旋转中子星和超新星。

最近，北美纳赫兹引力波天文台NANOGrav从脉冲星计时阵列(PTA)探测到了随机引力波背景(SGWB)的存在。

SGWB的不同之处在于它们是各向同性的，这意味着它们在各个方向上均匀分布，这表明它们的源在整个宇宙中均匀分布。

这一发现促使PRL研究中的科学家探索这些波的起源，这些波可能来自早期宇宙的一级相变(FOPT)。

Phys.org采访了这项研究的共同作者南京师范大学的吴永成教授、陆志廷教授、PeterAthron教授和李雷教授，以了解有关他们工作的更多信息。

“我们对早期宇宙的探索仅限于CMB(宇宙微波背景)形成之后的时期。尽管我们对CMB之前发生的事情有一些间接的暗示，但引力波是目前探索极早期宇宙的唯一方法，”永成说。

雷教授补充道：“过去几年，过冷FOPT被广泛认为是SGWB的可能来源。”

“PTA看到的新信号可能就是这种情况发生的证据——这是一个非常令人兴奋的可能性，”阿斯隆教授说。

志廷教授表示，他希望了解希格斯场与希格斯玻色子之间的联系，以及它与电弱对称性破缺机制之间的联系。“将不同频率的引力波信号与宇宙相变联系起来，为我研究这一问题打开了另一扇窗户。”他说。

一级相变

FOPT是相变，即系统突然或不连续地在不同相之间转变。我们在日常生活中看到的一个例子就是水结冰。

“即使温度低于冰点，水也能保持液态。然后，只要有一点扰动[变化]，它就会突然变成冰。关键特征是系统在低于转变温度的阶段保持很长时间，”永成教授解释说。

电弱力是自然界四种基本力中的两种：电磁力和弱核力的统一描述。

阿特隆教授说：“我们知道，在我们的宇宙中，一个剧烈的变化——预测所有弱核相互作用的电弱对称性的破坏——产生了我们今天观察到的所有基本粒子的质量。”

这导致电弱力通过希格斯场(赋予所有粒子质量)分裂为电磁力和弱力。发生这种情况的过程是强一级电弱相变。

过冷FOPT是指在相变过程中温度突然下降的现象。研究人员希望了解这种FOPT是否可能是NANOGrav合作观测到的SGWB的来源。

产生SGWB的潜在机制

该理论背后的想法是，早期宇宙处于一种被称为假真空状态的高温状态，这意味着它的能量不是最低可能能量。

随着宇宙膨胀和冷却，势能减少。在临界温度以下，假真空状态变得不稳定。

在此温度下，量子涨落(随机运动)可以引发真真空状态的形成，这是最低能量状态。这是通过气泡的成核(形成)过程发生的。

气泡表示发生从假真空到真真空的FOPT的区域。

一旦成核，这些真真空气泡就会生长和膨胀。它们会碰撞和融合，最终渗透到空间中。渗透是指形成一个由真真空区域组成的连通网络。

当宇宙中足够多的部分处于真真空状态时，相变就完成了。这一完成通常需要气泡渗透到宇宙的很大一部分。

在此过程中，膨胀气泡的碰撞和动力学产生了超重力引力波，NANOGrav合作小组已经观察到了这一点。

修改希格斯势

研究人员的工作首先建立理论模型来研究过冷FOPT和SGWB产生的可能性。

雷教授解释说：“在过冷FOPT的情况下，模型可以预测这种转变可能发生的条件，包括相变发生的温度和转变过程的特征。”

研究人员首先修改了希格斯势，这解释了希格斯场如何与自身以及其他基本粒子相互作用。

他们添加了一个立方项来促进早期宇宙中过冷FOPT的动力学研究。

在这里，他们定义了四个关键参数来研究用这种立方势拟合纳赫兹(nHz)信号(由NANOGrav合作检测到)的挑战：

渗透温度是真正真空状态下的气泡成核并充分生长以形成整个宇宙的连通网络的温度。

完成温度是相变完全完成的温度，整个宇宙过渡到真正的真空状态。

基准点1代表在满足渗透和完成标准的同时具有显著过冷程度的情景。

基准点2代表这样一种情况，其中实现了更强的过冷，标称渗透温度约为100MeV，但未能满足现实的渗透标准并且未完成转变。

这两个温度测量对于理解相变的动态和时间至关重要。它们确保转变是全面和完整的，这是产生引力波信号的必要条件。

另一方面，基准点揭示了过冷FOPT产生SGWB所面临的挑战。

模型的局限性

研究人员确定了两个主要挑战，排除了过冷FOPT模型作为NANOGrav合作检测到的nHz信号的解释。

第一个挑战是过冷FOPT的渗透和完成，当宇宙温度低于某个临界值时，相变就不会发生。

这是因为新相(真真空)气泡成核和生长所需的能量较低。

“仅会形成少量气泡，而且其生长速度不足以填满整个宇宙，”阿斯隆教授解释道。

因此，完成相变(即整个宇宙转变为新相)的可能性变得较小。

第二个挑战是再加热。即使设想以某种方式实现完成，相变期间释放的能量也会释放宇宙中的热量。这个过程会增加宇宙的温度，这一过程被称为再加热。

雷教授补充道：“这使得维持生产SGWB所需的条件变得困难。”

在这种情况下产生的引力波的频率与PTA观测到的频率不同，通常在nHz范围内。

结论和未来工作

过冷FOPT作为SGWB的解释可以帮助逃避对标准模型修改的限制，并将nHz信号与更高尺度的新物理学联系起来，例如涉及电弱相变或更高级的物理学。

然而，正如研究人员所表明的那样，挑战表明过冷FOPT可能不是观测到的SGWB的来源。

研究人员计划探索其他可以解释所观察到的信号的FOPT。

“如果未知的暗区能够产生类似于量子色动力学的手性相变，从而进一步产生nHz引力波信号，那么它自然可以解释这种低频引力波信号，”Chih-Ting教授解释说。

永成教授补充道：“过冷相变可以引发原始黑洞的形成，而原始黑洞可能是我们宇宙暗物质的一部分。过冷FOPT的剧烈过程和过程中释放的更高能量也可以为粒子的产生提供环境，如果我们考虑暗物质的产生，这一点就更为重要。”

雷教授还提到探索更广泛的宇宙学含义，例如超大质量黑洞双星。

研究人员还计划发布他们在这项研究中开发的软件和计算。

“我们计划发布公共软件，其中包含从粒子物理模型到引力波光谱的完整计算，这些计算是完全最先进的，并且尽可能精确，以便其他团队可以轻松地应用与我们相同的严谨程度，”阿特隆教授总结道。