美國LIGO天文台於2015年發現引力波並於2017年獲得諾獎後，引力波探測和理論研究在國際上掀起熱潮，中國天眼FAST和歐美的脈衝星測時陣列研究團隊今年都發布了納赫茲引力波（頻率為10的負9次方赫茲的極低頻時空擾動）存在的關鍵性證據，納赫茲引力波的來源可能是宇宙中超大質量黑洞的纏繞合並，也可能是宇宙的早期一級相變所引發。
理論物理所研究員楊金民與博士生肖洋、鄭州大學青年教師張陽博士合作，提出納赫茲引力波可能源於希格斯粒子和暗物質相互作用引發的早期宇宙過冷電弱一級相變，從而把引力波和希格斯粒子以及神秘的暗物質聯係在一起，共同揭示宇宙嬰兒期曆史。近日，相關研究成果發表於Science Bulletin 68 (2023) 3158。
按照宇宙學的標準理論，宇宙起源於一次大爆炸，其早期經曆了從希格斯場電弱真空值為零（所有粒子都沒有質量）到非零（粒子開始有質量）的轉變。這個轉變開始的溫度大約為O(100) GeV。如果這個轉變以一階相變的形式發生，這就是所謂的電弱一階相變。水凝結成冰就是日常生活中常見的一種一階相變。如果水足夠的純淨， 那麽即使低於零攝氏度，水也會由於缺少凝結核導致無法結冰。此時隻需要給予一點擾動，冰塊就會充斥整個容器。這種特殊的相變就叫做過冷相變。類似的，宇宙相變也可以經曆這樣的過程：即使溫度低於O(100)GeV， 整個宇宙仍然是電弱真空期望值為零的， 直到某一時刻後，隨機漲落會使得希格斯場局域地獲得非零期望值。此時由於希格斯場非零期望值部分的壓強大於零期望值部分的壓強，前者將會像一個向外擴張的泡泡一般，逐漸充滿整個宇宙。如果此時相變發生的溫度能夠低至1GeV左右,那麽這種過冷的一級電弱相變所引發的引力波的頻率就可以低至納赫茲量級。
但是按照基本粒子物理的標準模型，上述一級電弱相變是無法實現的[上世紀八十年代Edward Witten的文章Nucl.Phys.B177（1981）477表明，若標準模型的希格斯粒子質量在75GeV以下，那麽標準模型就可以實現一級電弱相變。但是2012年LHC對撞機發現的標準模型希格斯質量是125GeV,從而使得標準模型不可能實現這個一級電弱相變]。實際上，標準模型中的希格斯場從真空值為零到非零的轉換是平滑過渡(smooth crossover)。因此，實現這個一級相變過程需要超出標準模型的希格斯部分的擴充，也就是說產生納赫茲引力波的一級過冷電弱相變可能預示著超出標準模型的希格斯新物理的存在。此外，電弱重子數產生（解釋宇宙中正反物質不對稱的現象）也要求強一階電弱相變，因而也要求擴充標準模型的希格斯部分。
楊金民研究員等人的工作研究了一種超出標準模型的含有暗物質的希格斯擴充的理論框架所產生的過冷一級相變以及引發的納赫茲引力波。相比於標準模型，這個框架隻擴充了希格斯部分，是最簡單最經濟的含有暗物質的新物理模型。它額外引入了一個單態希格斯粒子，並施加分離的 對稱性，使得這個單態的希格斯粒子是穩定的，因而可以充當暗物質（在宇宙早期凍結出來後就一直彌漫於宇宙之中）。這一簡單的單態希格斯場擴充模型擁有豐富的唯象學， 它不僅可以解釋宇宙中的暗物質豐度，還可以觸發一級電弱過冷相變。後者導致的熵增不僅使得宇宙演化不同於標準宇宙學的演化，還會使得暗物質密度受到額外的稀釋。
文章主要結果如下圖所示，這個圖中的藍色實線對應於過冷相變產生的引力波譜，若考慮到相變所釋放的能量所可能導致的重加熱（reheat）現象，引力波譜則向右下方移至綠色虛線。從這圖可以看到，這一理論所預言的引力波的極低頻納赫茲部分可以被正在進行的中國天眼和歐美的脈衝星測時陣列所檢驗，而高頻部分的引力波可以被未來的引力波探測實驗（中國的天琴和太極以及歐洲的LISA）所檢驗。此外，這一研究還揭示了如此過冷的低溫相變發生在暗物質凍結之後，相變所釋放的能量導致的熵增加對暗物質豐度可能會有顯著的稀釋效應，這使得暗物質滿足目前的觀測限製。
圖注：標量暗物質模型中由電弱相變泡泡碰撞產生的隨機引力波背景的頻譜，與脈衝星定時陣列觀測結果（小提琴圖）和未來的各個探測器的探測能力（點線）對比。其中藍色實線參考溫度為1.48 GeV，綠色虛線參考溫度為47 GeV。
至此，這一研究把納赫茲引力波和神秘的暗物質以及宇宙嬰兒期曆史聯係在一起了，預示著可以通過引力波來探知神秘的暗物質和神秘的早期宇宙史。
此研究得到了國家自然科學基金項目和理論物理專款彭桓武理論物理創新研究中心的資助。
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https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.025
