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(yáng)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(guò)冷電弱一級(jí)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(jiàn)網(wǎng)頁(yè)https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.025）,。

引力波是愛(ài)因斯坦在其廣義相對(duì)論中預(yù)測(cè)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(shí)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(tái)在美國(guó)首次探測(cè)到引力波的信號(hào)并于2017年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。此次發(fā)現(xiàn)激發(fā)了國(guó)際上對(duì)引力波探測(cè)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(guó)的FAST天文臺(tái)和歐美的脈沖星測(cè)時(shí)陣列研究團(tuán)隊(duì)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(shí)空擾動(dòng)）存在的關(guān)鍵證據(jù),。因此,，揭示這些引力波的來(lái)源已成為一個(gè)緊迫的科學(xué)問(wèn)題。一個(gè)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(chǎng)電弱真空期望值從零到非零的轉(zhuǎn)變,，這一過(guò)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(shí)。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)成冰的日常現(xiàn)象,。在特定條件下,，極純凈的水甚至在冰點(diǎn)以下也不會(huì)結(jié)冰，直到一個(gè)微小的擾動(dòng)引發(fā)瞬間結(jié)冰,，這種現(xiàn)象稱為過(guò)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(gè)時(shí)刻,，希格斯場(chǎng)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(gè)宇宙,。泡泡的膨脹和碰撞過(guò)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(guò)冷一級(jí)電弱相變產(chǎn)生的引力波頻率可能會(huì)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(wú)法實(shí)現(xiàn),。格點(diǎn)計(jì)算顯示，只有當(dāng)希格斯粒子的質(zhì)量低于75 GeV時(shí),，標(biāo)準(zhǔn)模型才可能實(shí)現(xiàn)一級(jí)相變,。但2012年在LHC對(duì)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(guò)75 GeV,，這表明在標(biāo)準(zhǔn)模型框架下不會(huì)發(fā)生電弱一級(jí)相變,。進(jìn)一步的研究證實(shí),，標(biāo)準(zhǔn)模型中希格斯場(chǎng)的真空期望值從零到非零的轉(zhuǎn)變是一個(gè)平滑的過(guò)渡。因此,，要實(shí)現(xiàn)一級(jí)電弱相變,，需要對(duì)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(jí)過(guò)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(duì)稱的現(xiàn)象）也需要一階電弱相變，這同樣要求對(duì)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(gè)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(guò)引入一個(gè)新的單態(tài)希格斯粒子并賦予其獨(dú)特的Z2對(duì)稱性,，維持了這個(gè)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(gè)模型的優(yōu)雅之處在于它的簡(jiǎn)潔性和經(jīng)濟(jì)性,，僅對(duì)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(cè)的結(jié)果,。其中藍(lán)色實(shí)線代表了過(guò)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(shí),，引力波譜將向右下方移動(dòng)，如綠色虛線所示,。根據(jù)這個(gè)圖形的結(jié)果,，我們可以期待使用現(xiàn)有的引力波探測(cè)設(shè)施（如中國(guó)的天眼和歐美的脈沖星測(cè)時(shí)陣列）來(lái)驗(yàn)證這些低頻引力波的存在。同時(shí),，高頻部分的引力波則有望在未來(lái)的引力波探測(cè)項(xiàng)目（比如中國(guó)的天琴和太極項(xiàng)目以及歐洲的LISA項(xiàng)目）中得到探測(cè),。

這項(xiàng)研究不僅為我們提供了一個(gè)全新的視角來(lái)觀察宇宙的暗物質(zhì)和早期歷史，而且還為未來(lái)的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)提供了明確的預(yù)測(cè),。通過(guò)對(duì)納赫茲引力波的探測(cè),，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(shí)的演化,。這不僅豐富了我們對(duì)宇宙起源的認(rèn)識(shí),，也為宇宙學(xué)和物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域搭建了橋梁，預(yù)示著通過(guò)引力波探測(cè)可以揭開(kāi)早期宇宙史和暗物質(zhì)之謎,。