物理學院特聘教授楊金民和其博士生肖洋與鄭州大學青年教師張陽博士合作，提出納赫茲引力波源于希格斯粒子和暗物質(zhì)相互作用引發(fā)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(zhì)聯(lián)系在一起，共同揭示宇宙嬰兒期歷史。近日，相關研究成果發(fā)表于Science Bulletin 68 (2023) 3158（論文的全文見網(wǎng)頁https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.025）。

引力波是愛因斯坦在其廣義相對論中預測的一種宇宙現(xiàn)象，它們產(chǎn)生于質(zhì)量或能量分布的變化而導致的周圍時空所發(fā)生的彎曲和扭曲，這些扭曲以波的形式向外傳播。2015年LIGO天文臺在美國首次探測到引力波的信號并于2017年榮獲諾貝爾物理學獎。此次發(fā)現(xiàn)激發(fā)了國際上對引力波探測與理論研究的熱潮。

引力波的頻譜非常廣泛，其峰值頻段與產(chǎn)生這些波的源頭緊密相關。去年，中國的FAST天文臺和歐美的脈沖星測時陣列研究團隊均提供了納赫茲引力波（頻率約為10的-9次方赫茲的極低頻時空擾動）存在的關鍵證據(jù)。因此，揭示這些引力波的來源已成為一個緊迫的科學問題。一個潛在的源頭可能是宇宙早期的一階電弱相變。

根據(jù)宇宙學的主流理論，宇宙起源于大爆炸，早期階段經(jīng)歷了希格斯場電弱真空期望值從零到非零的轉變，這一過程賦予了基本粒子以質(zhì)量。這種轉變通常發(fā)生在溫度約為O(100) GeV時。這一轉變可能以一階相變的方式發(fā)生，即為電弱一階相變，類似于水凝結成冰的日常現(xiàn)象。在特定條件下，極純凈的水甚至在冰點以下也不會結冰，直到一個微小的擾動引發(fā)瞬間結冰，這種現(xiàn)象稱為過冷相變。宇宙的相變也可能類似：即使溫度低于O(100) GeV，宇宙可能仍保持電弱真空期望值為零，直至某個時刻，希格斯場的局部漲落導致非零期望值的出現(xiàn)，這些非零期望值區(qū)域將像膨脹的泡泡一樣擴散，最終填滿整個宇宙。泡泡的膨脹和碰撞過程中將產(chǎn)生相變引力波。如果相變發(fā)生的溫度能降至約1 GeV，那么由這種過冷一級電弱相變產(chǎn)生的引力波頻率可能會低至納赫茲。

然而，根據(jù)粒子物理學的標準模型，上述的一階電弱相變無法實現(xiàn)。格點計算顯示，只有當希格斯粒子的質(zhì)量低于75 GeV時，標準模型才可能實現(xiàn)一級相變。但2012年在LHC對撞機上發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子質(zhì)量約為125 GeV，遠超過75 GeV，這表明在標準模型框架下不會發(fā)生電弱一級相變。進一步的研究證實，標準模型中希格斯場的真空期望值從零到非零的轉變是一個平滑的過渡。因此，要實現(xiàn)一級電弱相變，需要對標準模型希格斯部分進行擴展，這意味著產(chǎn)生納赫茲引力波的一級過冷電弱相變可能指向了超出標準模型的新物理。此外，電弱重子數(shù)的產(chǎn)生（解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱的現(xiàn)象）也需要一階電弱相變，這同樣要求對標準模型的希格斯部分進行擴充。

楊金民教授的研究小組深入研究了一個擴展的希格斯模型，該模型不僅超越了標準模型的局限，還巧妙地將暗物質(zhì)融入其中。該理論框架通過引入一個新的單態(tài)希格斯粒子并賦予其獨特的Z2對稱性，維持了這個單態(tài)希格斯粒子的穩(wěn)定性，使其成為理想的暗物質(zhì)候選者。由于擴充了希格斯部分，使得該模型的一階相變成為可能。這個模型的優(yōu)雅之處在于它的簡潔性和經(jīng)濟性，僅對希格斯部分進行最小的擴展，就能提供包括暗物質(zhì)豐度在內(nèi)的一系列宇宙學現(xiàn)象的解釋。

在這篇發(fā)表的文章中，下面的圖形清晰展示了理論預測的結果。其中藍色實線代表了過冷相變所產(chǎn)生的引力波譜，而當考慮相變釋放能量可能引起的重加熱效應時，引力波譜將向右下方移動，如綠色虛線所示。根據(jù)這個圖形的結果，我們可以期待使用現(xiàn)有的引力波探測設施（如中國的天眼和歐美的脈沖星測時陣列）來驗證這些低頻引力波的存在。同時，高頻部分的引力波則有望在未來的引力波探測項目（比如中國的天琴和太極項目以及歐洲的LISA項目）中得到探測。

這項研究不僅為我們提供了一個全新的視角來觀察宇宙的暗物質(zhì)和早期歷史，而且還為未來的觀測和實驗提供了明確的預測。通過對納赫茲引力波的探測，我們不僅有可能揭示暗物質(zhì)的本質(zhì)，還能進一步理解宇宙在其形成伊始時的演化。這不僅豐富了我們對宇宙起源的認識，也為宇宙學和物理學的多個領域搭建了橋梁，預示著通過引力波探測可以揭開早期宇宙史和暗物質(zhì)之謎。