揭示宇宙學(xué)一階相變的新方法
許多粒子物理和天體物理宇宙學(xué)的觀測都預(yù)示著目前描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是不完備的。搜尋超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的信號(hào)是當(dāng)前粒子物理和宇宙學(xué)觀測的重要科學(xué)問題之一。很多超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理模型都預(yù)言了宇宙演化過程中會(huì)發(fā)生一階相變。隨著宇宙的膨脹和溫度的降低，高能標(biāo)下的對(duì)稱性會(huì)發(fā)生自發(fā)破缺，相關(guān)的量子場會(huì)從假真空通過量子隧穿到真真空，導(dǎo)致真空泡泡不斷涌現(xiàn)并長大，假真空中的能量不斷轉(zhuǎn)移到泡壁和背景流體中，類似于生活中遇到的過冷水結(jié)冰現(xiàn)象。隨后膨脹的真空泡泡會(huì)相互碰撞，造成能量密度的大幅度擾動(dòng)。作為早期宇宙中發(fā)生的劇烈過程，一階相變會(huì)產(chǎn)生一系列可觀測效應(yīng)，包括隨機(jī)引力波背景，原初磁場，重子不對(duì)稱性等。這讓我們有望通過天文和宇宙學(xué)的觀測來探測或限制新物理。探測宇宙一階相變相伴產(chǎn)生的引力波也是很多引力波探測計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)之一。
近日，國科大國際理論物理中心（亞太地區(qū)）的博士后劉京，重慶大學(xué)邊立功副研究員，中科院理論物理所的蔡榮根研究員，郭宗寬研究員和博士后王少江提出了一個(gè)原初黑洞形成的新機(jī)制，并利用天文觀測數(shù)據(jù)對(duì)一階相變的性質(zhì)給出了嚴(yán)格的限制。由于真空隧穿的隨機(jī)性，不同區(qū)域內(nèi)假真空衰變的進(jìn)度是不同的。注意到假真空內(nèi)的能量密度幾乎不隨宇宙膨脹改變，而其他物質(zhì)組分能量密度，如輻射和冷物質(zhì)，都會(huì)隨宇宙膨脹迅速降低。因此，在相變結(jié)束后，較晚衰變的區(qū)域中能量密度會(huì)較高。也就是說宇宙學(xué)一階相變會(huì)誘導(dǎo)能量密度擾動(dòng)。這些較高能量密度的區(qū)域通過引力坍塌會(huì)導(dǎo)致原初黑洞的形成。這些原初黑洞的質(zhì)量譜幾乎是單色的。相關(guān)論文以快報(bào)（Letter）的形式發(fā)表在 Phys. Rev.D 105 (2022) L021303上。通過這個(gè)機(jī)制形成的原初黑洞和相伴的引力波可以解釋LIGO-Virgo合作組觀測到的黑洞并合率，也可解釋北美納赫茲引力波天文臺(tái)（NANOGrav）觀測到的信號(hào)。
他們發(fā)現(xiàn)一階相變也會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生超視界曲率擾動(dòng)，并可以通過對(duì)宇宙小尺度曲率擾動(dòng)的觀測來探測和限制相變的性質(zhì)。通過量子隧穿理論可以得到單位時(shí)間單位體積內(nèi)真空泡泡的產(chǎn)生幾率。相變結(jié)束后，由于尺度大于相變時(shí)間乘以光速的區(qū)域彼此沒有因果聯(lián)系，因果律要求曲率擾動(dòng)的能量譜正比于波數(shù)的三次方。如果考慮超視界尺度，相變誘導(dǎo)的曲率擾動(dòng)可以在小尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙早期暴脹產(chǎn)生的原初擾動(dòng)，而被很多天文觀測實(shí)驗(yàn)所探測，包括宇宙微波背景輻射溫度各向異性和譜畸變，超密暗暈的數(shù)密度等。反過來說，人們也可以通過這些天文觀測提供的曲率擾動(dòng)功率譜的上限來對(duì)相變性質(zhì)給出限制。
圖1：對(duì)曲率擾動(dòng)的不同觀測實(shí)驗(yàn)對(duì)相變參數(shù)空間的限制，其中α代表相變的強(qiáng)度，β/H-*代表相變的速率，T*為相變的溫度。左圖和中圖里灰色實(shí)線和灰色點(diǎn)虛線為通過引力波和原初核合成對(duì)相變參數(shù)空間的限制。
他們得到了一階相變誘導(dǎo)的曲率擾動(dòng)功率譜，并首次通過天文觀測的曲率擾動(dòng)上限給出了相變參數(shù)的嚴(yán)格限制。相關(guān)成果發(fā)表在國際著名的物理學(xué)雜志Phys. Rev. Lett 130 （2023） 051001上。如圖1所示，該研究得到了對(duì)電弱能標(biāo)及以下所有宇宙學(xué)一階相變的限制，被限制的相變參數(shù)包括相變強(qiáng)度α，相變速率β/H-*和相變溫度T*，這些限制來自原初核合成過程（藍(lán)線）、宇宙微波背景輻射譜畸變（綠線）和超密暗暈的數(shù)密度（橙實(shí)線來自脈沖星計(jì)時(shí)，橙虛線來自伽馬射線探測）給出的曲率擾動(dòng)的上限。該研究成果大大拓展了此前通過隨機(jī)引力波背景（灰色實(shí)線）和原初核合成探測（灰色點(diǎn)虛線）對(duì)QCD一階相變、低能標(biāo)暗相變和某些電弱相變參數(shù)空間的限制，尤其對(duì)低能標(biāo)相變和慢相變給出了很強(qiáng)的限制。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院相關(guān)項(xiàng)目的資助。