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                            【科技日報】探尋嬰兒宇宙的原初引力波 在高能物理“沙漠”中尋找“綠洲”

                            2021-12-28 科技日報
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                            語音播報

                              目前,人類探索宇宙起源的主要科技手段是搜尋來自宇宙創生時期的時空漣漪,也就是原初引力波。這是因為原初引力波就是宇宙大爆炸的創世余暉,它就像留聲機一樣忠實地記錄了宇宙在古早時期所發生的一切。

                              近日,在一項最新的科學研究中,中國科學技術大學蔡一夫教授所帶領的國際合作團隊發現了嬰兒宇宙處在高能物理的“沙漠”能區時,存在著發生原初引力波非線性共振的理論現象。

                              在一些原本被認為幾乎不可能被探明的宇宙起源理論模型中,原初引力波的信號可以通過這個非線性的現象過程,被共振放大4至6個數量級,甚至可以更大,從而被原初引力波探測器所檢測到。這就猶如在深谷中高聲語,未見其人,已聞其聲。這一最新研究成果為目前國際上正在積極推進的原初引力波探測實驗建設提供了重要的科學目標;同時也為搜尋超出粒子物理標準模型的高能新物理打開了一扇窗口。

                              該研究成果發表在國際知名學術期刊《物理評論快報》上。

                              高能物理的“沙漠”能區

                              我們的宇宙,猶如一名正在成長的孩童,夜幕下能看得見的那些璀璨繁星都是依附在物質和暗物質共同組成的大尺度結構這一宇宙“骨骼”上生長出來的。

                              不妨閉上眼睛想象一下,如果逆著時間之矢追根溯源,宇宙中所有的物質和暗物質,都曾經以極為微小的基本粒子形態存在于嬰兒時期的宇宙中。由于那時的宇宙溫度遠遠高于現在,因此描繪這些基本粒子的物理屬性已經超出了目前教科書上所介紹的知識范疇,這也就意味著當時宇宙所發生和所經歷的一切都屬于粒子物理標準模型之外的高能區新物理。與此同時,由于當前人類科技能力的約束,在高能物理實驗中能制備的或者能觸及的最高溫度(也就是能標),遠遠低于嬰兒時期的宇宙能標。這就導致了人類想要探明這片陌生的物理世界時變得十分被動。因此,科學家常常將這一時期稱為高能物理的“沙漠”能區。

                              目前,人類探索宇宙起源的主要科技手段是搜尋來自宇宙創生時期的時空漣漪,也就是原初引力波。這是因為原初引力波就是宇宙大爆炸的創世余暉,它就像留聲機一樣忠實地記錄了宇宙在古早時期所發生的一切。

                              這些時空波動的幅度大小直接由嬰兒時期的宇宙能標所決定的,所以是否有機會探測到這些時空波動的關鍵,就是看人類能否觸及到當時的宇宙能標。

                              引力波探測也是人類尋找超出粒子物理標準模型新物理的手段之一。引力波探測的科學目標,還有相變引力波、原初黑洞誘生引力波等。除了原初引力波外,其他科學目標要么離高能物理的“沙漠”能區相差甚遠,探測不到新物理;要么其背后的物理還存在著理論上的不確定性。只有原初引力波存在的前提假設,只需熱大爆炸宇宙學說成立即可,而這一點早已被多個宇宙學觀測所佐證。因此,對原初引力波的科學探索成為了人類走出嬰兒宇宙的“沙漠”能區并找到新物理的關鍵線索。

                              “少了”原初引力波的暴脹學說

                              作為宇宙起源的主流學說,同時也是高能區新物理的代表性學說,暴脹宇宙的學術觀點認為,我們的宇宙在大爆炸創生之后約10-30秒的一瞬間,體積被急劇地放大了約1080倍。這個時候的宇宙生機勃勃,不斷快速地自我復制繁殖,并迅速成長壯大。

                              這一觀點能夠從科學觀測上找到蛛絲馬跡:宇宙在嬰兒時期所形成的原初物質以及伴隨產生的量子漲落,最終演化形成了大尺度結構,正如本文開端所提到的夜幕繁星和這背后看不見的暗物質等結構,恰好跟人類目前所能探明的大尺度結構不謀而合;此外,原初物質分布決定了今天的宇宙溫度,原初的量子漲落也決定了今天的宇宙溫度當中存在著漣漪,這恰好為人類的微波探測技術提供了另一個探究嬰兒宇宙的重要線索,即宇宙微波背景輻射天圖。

                              然而,暴脹學說的另一個重要預言——原初引力波,卻遲遲未能在科學探測中被捕獲。不過,2017年諾貝爾物理學獎花落雙黑洞并合所產生的引力波實驗發現者,為人類進一步尋找原初引力波注入了強大的科研信心。因此,目前原初引力波已成為了國內外多個宇宙學實驗的重點搜尋對象。一旦人類能夠成功捕獲原初引力波,將為宇宙是否發生過極早期的暴脹過程進行蓋棺定論性的檢驗,并能精確測定超出粒子物理標準模型的高能區新物理所發生的能標。然而,如前文所述,如果暴脹恰好發生在嬰兒宇宙的高能物理“沙漠”能區,高于當前人類能觸及的最高能標,也就是對撞機實驗能標,但又遠遠低于相互作用大統一的理論能標(一般認為這個理論能標是新物理封頂的最高能標),那么相應產生的原初引力波信號幅度會變得非常小,幾乎不可能被目前的宇宙學探測技術所察覺。因此傳統的學術觀點認為,在這個能區范圍去搜尋原初引力波以及它背后的新物理將是“不可能完成的任務”。

                              新物質場“放大”原初引力波

                              在此次研究中,蔡一夫國際團隊引入了一個具有參數共振演化行為的重場,這個新引入的物質場并不會對背景演化以及當前的宇宙學觀測進行干擾,但是它可以與原初引力波發生非線性的相互耦合,這樣就可以為原初引力波的共振增益提供充足的能量來源。并且,由于暴脹背景演化的特殊動力學性質(慢滾暴脹動力學),導致了被引入的重場和傳統的原初物質擾動之間幾乎互不干擾。因此,這就確保了暴脹學說與當前的宇宙學觀測能夠保持完美的契合。在上述研究論文中,作者通過構造一個具體的模型,精準地論證了即便嬰兒宇宙是在超出粒子物理標準模型的“沙漠”能區經歷的暴脹過程,也能夠產生足夠大的原初引力波,從而理論上說明高能物理的“沙漠”也可能存在生機盎然的新物理“綠洲”。

                              值得一提的是,根據該研究的預分析,通過非線性共振過程產生原初引力波的新理論起源機制有望在將來的宇宙微波背景輻射偏振實驗當中進行觀測檢驗,這類實驗是通過在宇宙微波背景輻射的偏振天圖中進行觀察分析其圖像信息來提取原初引力波信號。這就為當前正在如火如荼地發展當中的原初引力波探測實驗,如中國的阿里原初引力波實驗等,提供了重要的科學目標。

                            ?。ㄗ髡撸和跚缜?,系中國科學技術大學物理學院天文學系博士生)

                            (原載于《科技日報》 2021-12-28 08版)

                            打印 責任編輯:閻芳

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