海默科技新闻_探寻婴儿宇宙的原初引力波 在高能物理“沙漠”中寻找“绿洲”

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  目前,人类探索宇宙起源的主要科技手段是搜寻来自宇宙创生时期的时空涟漪,也就是原初引力波。这是因为原初引力波就是宇宙大爆炸的创世余晖,它就像留声机一样忠实地记录了宇宙在古早时期所发生的一切。

  近日,在一项最新的科学研究中,中国科学技术大学蔡一夫教授所带领的国际合作团队发现了婴儿宇宙处在高能物理的“沙漠”能区时,存在着发生原初引力波非线性共振的理论现象。

  在一些原本被认为几乎不可能被探明的宇宙起源理论模型中,原初引力波的信号可以通过这个非线性的现象过程,被共振放大4至6个数量级,甚至可以更大,从而被原初引力波探测器所检测到。这就犹如在深谷中高声语,未见其人,已闻其声。这一最新研究成果为目前国际上正在积极推进的原初引力波探测实验建设提供了重要的科学目标;同时也为搜寻超出粒子物理标准模型的高能新物理打开了一扇窗口。

  该研究成果发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

  高能物理的“沙漠”能区

  我们的宇宙,犹如一名正在成长的孩童,夜幕下能看得见的那些璀璨繁星都是依附在物质和暗物质共同组成的大尺度结构这一宇宙“骨骼”上生长出来的。

  不妨闭上眼睛想象一下,如果逆着时间之矢追根溯源,宇宙中所有的物质和暗物质,都曾经以极为微小的基本粒子形态存在于婴儿时期的宇宙中。由于那时的宇宙温度远远高于现在,因此描绘这些基本粒子的物理属性已经超出了目前教科书上所介绍的知识范畴,这也就意味着当时宇宙所发生和所经历的一切都属于粒子物理标准模型之外的高能区新物理。与此同时,由于当前人类科技能力的约束,在高能物理实验中能制备的或者能触及的最高温度(也就是能标),远远低于婴儿时期的宇宙能标。这就导致了人类想要探明这片陌生的物理世界时变得十分被动。因此,科学家常常将这一时期称为高能物理的“沙漠”能区。

  目前,人类探索宇宙起源的主要科技手段是搜寻来自宇宙创生时期的时空涟漪,也就是原初引力波。这是因为原初引力波就是宇宙大爆炸的创世余晖,它就像留声机一样忠实地记录了宇宙在古早时期所发生的一切。

  这些时空波动的幅度大小直接由婴儿时期的宇宙能标所决定的,所以是否有机会探测到这些时空波动的关键,就是看人类能否触及到当时的宇宙能标。

  引力波探测也是人类寻找超出粒子物理标准模型新物理的手段之一。引力波探测的科学目标,还有相变引力波、原初黑洞诱生引力波等。除了原初引力波外,其他科学目标要么离高能物理的“沙漠”能区相差甚远,探测不到新物理;要么其背后的物理还存在着理论上的不确定性。只有原初引力波存在的前提假设,只需热大爆炸宇宙学说成立即可,而这一点早已被多个宇宙学观测所佐证。因此,对原初引力波的科学探索成为了人类走出婴儿宇宙的“沙漠”能区并找到新物理的关键线索。

  “少了”原初引力波的暴胀学说

  作为宇宙起源的主流学说,同时也是高能区新物理的代表性学说,暴胀宇宙的学术观点认为,我们的宇宙在大爆炸创生之后约10-30秒的一瞬间,体积被急剧地放大了约1080倍。这个时候的宇宙生机勃勃,不断快速地自我复制繁殖,并迅速成长壮大。

  这一观点能够从科学观测上找到蛛丝马迹:宇宙在婴儿时期所形成的原初物质以及伴随产生的量子涨落,最终演化形成了大尺度结构,正如本文开端所提到的夜幕繁星和这背后看不见的暗物质等结构,恰好跟人类目前所能探明的大尺度结构不谋而合;此外,原初物质分布决定了今天的宇宙温度,原初的量子涨落也决定了今天的宇宙温度当中存在着涟漪,这恰好为人类的微波探测技术提供了另一个探究婴儿宇宙的重要线索,即宇宙微波背景辐射天图。

  然而,暴胀学说的另一个重要预言――原初引力波,却迟迟未能在科学探测中被捕获。不过,2017年诺贝尔物理学奖花落双黑洞并合所产生的引力波实验发现者,为人类进一步寻找原初引力波注入了强大的科研信心。因此,目前原初引力波已成为了国内外多个宇宙学实验的重点搜寻对象。一旦人类能够成功捕获原初引力波,将为宇宙是否发生过极早期的暴胀过程进行盖棺定论性的检验,并能精确测定超出粒子物理标准模型的高能区新物理所发生的能标。然而,如前文所述,如果暴胀恰好发生在婴儿宇宙的高能物理“沙漠”能区,高于当前人类能触及的最高能标,也就是对撞机实验能标,但又远远低于相互作用大统一的理论能标(一般认为这个理论能标是新物理封顶的最高能标),那么相应产生的原初引力波信号幅度会变得非常小,几乎不可能被目前的宇宙学探测技术所察觉。因此传统的学术观点认为,在这个能区范围去搜寻原初引力波以及它背后的新物理将是“不可能完成的任务”。

  新物质场“放大”原初引力波

  在此次研究中,蔡一夫国际团队引入了一个具有参数共振演化行为的重场,这个新引入的物质场并不会对背景演化以及当前的宇宙学观测进行干扰,但是它可以与原初引力波发生非线性的相互耦合,这样就可以为原初引力波的共振增益提供充足的能量来源。并且,由于暴胀背景演化的特殊动力学性质(慢滚暴胀动力学),导致了被引入的重场和传统的原初物质扰动之间几乎互不干扰。因此,这就确保了暴胀学说与当前的宇宙学观测能够保持完美的契合。在上述研究论文中,作者通过构造一个具体的模型,精准地论证了即便婴儿宇宙是在超出粒子物理标准模型的“沙漠”能区经历的暴胀过程,也能够产生足够大的原初引力波,从而理论上说明高能物理的“沙漠”也可能存在生机盎然的新物理“绿洲”。

  值得一提的是,根据该研究的预分析,通过非线性共振过程产生原初引力波的新理论起源机制有望在将来的宇宙微波背景辐射偏振实验当中进行观测检验,这类实验是通过在宇宙微波背景辐射的偏振天图中进行观察分析其图像信息来提取原初引力波信号。这就为当前正在如火如荼地发展当中的原初引力波探测实验,如中国的阿里原初引力波实验等,提供了重要的科学目标。

  (作者系中国科学技术大学物理学院天文学系博士生)◎王晴晴