物理學(xué)院特聘教授楊金民和其博士生肖洋與鄭州大學(xué)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(guān)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(yù)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(dǎo)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(xué)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(guān),。去年,，中國的FAST天文臺和歐美的脈沖星測時陣列研究團(tuán)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(guān)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(xué)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(xué)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(zhuǎn)變，這一過程賦予了基本粒子以質(zhì)量,。這種轉(zhuǎn)變通常發(fā)生在溫度約為O(100) GeV時,。這一轉(zhuǎn)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(jié)成冰的日?，F(xiàn)象。在特定條件下,，極純凈的水甚至在冰點以下也不會結(jié)冰,，直到一個微小的擾動引發(fā)瞬間結(jié)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(dǎo)致非零期望值的出現(xiàn),，這些非零期望值區(qū)域?qū)⑾衽蛎浀呐菖菀粯訑U(kuò)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(xué)的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)希格斯粒子的質(zhì)量低于75 GeV時，標(biāo)準(zhǔn)模型才可能實現(xiàn)一級相變,。但2012年在LHC對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的希格斯粒子質(zhì)量約為125 GeV,，遠(yuǎn)超過75 GeV，這表明在標(biāo)準(zhǔn)模型框架下不會發(fā)生電弱一級相變,。進(jìn)一步的研究證實,，標(biāo)準(zhǔn)模型中希格斯場的真空期望值從零到非零的轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)模型希格斯部分進(jìn)行擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯部分進(jìn)行擴(kuò)充,。

楊金民教授的研究小組深入研究了一個擴(kuò)展的希格斯模型,，該模型不僅超越了標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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(kuò)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(jì)性，僅對希格斯部分進(jìn)行最小的擴(kuò)展,，就能提供包括暗物質(zhì)豐度在內(nèi)的一系列宇宙學(xué)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(yù)測的結(jié)果,。其中藍(lán)色實線代表了過冷相變所產(chǎn)生的引力波譜,，而當(dāng)考慮相變釋放能量可能引起的重加熱效應(yīng)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(jié)果，我們可以期待使用現(xiàn)有的引力波探測設(shè)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(yù)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(jìn)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(rèn)識，也為宇宙學(xué)和物理學(xué)的多個領(lǐng)域搭建了橋梁,，預(yù)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,。