Для генерации сигналов частоты наногерц вакуумные переходы должны быть переохлаждены. Эти медленные переходы трудно осуществить из-за космического расширения Вселенной. Даже когда переход завершен, частоты волн могут отклоняться от нГц. Поэтому, хотя наногерцовые гравитационные волны холодны, их происхождение вряд ли связано с переохлаждением. Фото предоставлено: Эндрю Фоули
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, исследует возможность того, что сильно переохлажденный фазовый переход первого рода в ранней Вселенной может объяснить сигналы гравитационных волн, наблюдаемые с помощью временных решеток пульсаров (PTA).
Гравитационные волны, впервые предложенные Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности, представляют собой рябь в ткани пространства-времени, вызванную бурными процессами, такими как слияние черных дыр.
Впервые они были обнаружены LIGO в 2016 году, подтвердив предсказания Эйнштейна почти столетие спустя. Наиболее распространенными источниками черных дыр являются слияние черных дыр, вращающиеся нейтронные звезды и сверхновые.
Недавно NANOGrav (Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн) обнаружила наличие стохастического фона гравитационных волн (SGWB) от временных решеток пульсаров (PTA).
SGWB отличаются тем, что они изотропны, то есть распространяются равномерно во всех направлениях, что позволяет предположить, что их источники равномерно распределены по Вселенной.
Это открытие побудило ученых-исследователей PRL изучить происхождение этих волн, которые могли быть связаны с фазовыми переходами первого рода (FOPT) в ранней Вселенной.
Phys.org поговорил с соавторами исследования, профессором Юнчэном Ву, профессором Чи-Тин Лу, профессором Питером Атроном и профессором Лей В из Нанкинского педагогического университета, чтобы узнать больше об их работе.
«Наше исследование ранней Вселенной ограничено временем после образования реликтового излучения. [cosmic microwave background]«Хотя у нас есть некоторые косвенные доказательства того, что произошло до реликтового излучения, гравитационные волны в настоящее время являются единственным методом исследования очень ранней Вселенной», — сказал Юнчэн.
Профессор Лей добавил: «В последние годы переохлажденный FOPT широко рассматривается как возможный источник SGWB».
«Новый сигнал, наблюдаемый от ОТА, может быть свидетельством того, что это происходит – очень интересная возможность», – сказал профессор Атрон.
Профессор Чи-Тин сказал, что хочет понять связь между полем Хиггса и бозоном Хиггса и ее связь с механизмом нарушения электрослабой симметрии. «Связывание сигналов гравитационных волн разных частот с космическими фазовыми переходами открыло для меня еще одно окно для изучения этого», — сказал он.
Фазовые переходы первого рода
FOPT — это фазовые переходы, при которых система переключается между разными фазами резко или прерывисто. Пример из нашей повседневной жизни – замерзание воды.
«Вода может оставаться в жидком состоянии, даже когда температура ниже нуля. Затем с небольшим перерывом [change]он внезапно превращается в лед. Ключевой особенностью является то, что система остается в фазе ниже температуры перехода в течение длительного времени», — пояснил профессор Юнчэн.
Электрослабое взаимодействие представляет собой единое описание двух из четырех фундаментальных сил природы: электромагнитного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия.
«Мы знаем, что в нашей Вселенной радикальное изменение — нарушение электрослабой симметрии, которая предсказывает все слабые ядерные взаимодействия — приводит к появлению масс всех элементарных частиц, которые мы наблюдаем сегодня», — сказал профессор Атрон.
Это привело к разделению электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое взаимодействия через поле Хиггса (которое придает всем частицам массу). Процесс, посредством которого это происходит, представляет собой сильный электрослабый фазовый переход первого рода.
В переохлажденном FOPT падение температуры во время фазового перехода происходит внезапно. Исследователи хотели выяснить, может ли такой FOPT быть источником SGWB, наблюдаемого коллаборацией НАНОГрав.
Возможный механизм развития SGWB
Идея этой теории заключается в том, что ранняя Вселенная находилась в состоянии высоких температур, называемом ложным вакуумом. Это означает, что его энергия не является минимально возможной.
По мере того как Вселенная расширяется и охлаждается, потенциальная энергия уменьшается. Ниже критической температуры состояние ложного вакуума становится нестабильным.
При этой температуре квантовые флуктуации (случайные движения) могут вызвать образование истинных вакуумных состояний, то есть состояний с наименьшей энергией. Это происходит в процессе образования пузырьков.
Пузыри представляют собой области, где произошел переход от ложного вакуума к истинному вакууму.
Как только эти пузыри истинного вакуума формируются, они растут и расширяются. Они могут сталкиваться, сливаться и в конечном итоге просачиваться сквозь пространство. Перколяция — это образование связной сети областей истинного вакуума.
Фазовый переход завершается, когда достаточно большая часть Вселенной находится в состоянии истинного вакуума. Обычно это предполагает, что пузыри распространяются по значительной части Вселенной.
Во время этого процесса столкновения и динамика расширяющихся пузырей создают SGWB, который наблюдала коллаборация НАНОГрав.
Модификация потенциала Хиггса
Работа исследователей началась с построения теоретической модели для изучения переохлажденных FOPT и возможности генерации SGWB.
Профессор Лей объяснил: «В случае переохлажденных FOPT модели могут предсказать условия, при которых могут произойти такие переходы, включая температуру, при которой происходит фазовый переход, и характеристики переходного процесса».
Исследователи начали с модификации потенциала Хиггса, который объясняет, как поле Хиггса взаимодействует само с собой и с другими элементарными частицами.
Они добавили кубический член, чтобы облегчить динамику переохлажденного FOPT в ранней Вселенной.
Здесь они определяют четыре ключевых параметра для изучения проблем, возникающих при адаптации сигнала наноГц (нГц) (открытого коллаборацией NANOGrav) к этому кубическому потенциалу:
Два измерения температуры имеют решающее значение для понимания динамики и времени фазового перехода. Они гарантируют, что переход будет обширным и полным, что необходимо для создания сигнала гравитационной волны.
С другой стороны, контрольные точки подчеркивают проблемы, с которыми сталкивается переохлажденный FOPT при создании SGWB.
Ограничения модели
Исследователи выявили две ключевые трудности, которые исключают модель переохлажденного FOPT как объяснение сигнала нГц, открытого коллаборацией NANOGrav.
Первой задачей является перколяция и завершение переохлажденного FOPT. Если температура Вселенной упадет ниже критического значения, фазовый переход не произойдет.
Это связано с тем, что для образования и роста пузырьков новой фазы (истинного вакуума) требуется мало энергии.
«Пузырей образуется мало, и они не растут достаточно быстро, чтобы заполнить Вселенную», — объяснил профессор Атрон.
Поэтому фазовый переход, при котором вся Вселенная переходит в новую фазу, становится менее вероятным для полного завершения.
Вторая задача – это согревание. Даже если рассматривать сценарий, в котором фазовый переход каким-то образом завершается, энергия, выделяющаяся во время фазового перехода, выделяет тепло во Вселенную. Этот процесс увеличивает температуру Вселенной; этот процесс называется повторным нагревом.
«Это затрудняет поддержание условий, необходимых для производства SGWB», — добавил профессор Лей.
Гравитационные волны, возникающие в этом сценарии, не имеют той же частоты, что и волны, наблюдаемые с помощью PTA, и обычно находятся в диапазоне наногерц.
Заключение и будущая работа
Переохлажденный FOPT как объяснение SGWB может помочь обойти ограничения изменений в Стандартной модели и связать нГц-сигнал с новой физикой более высокого уровня, например, с теми, которые происходят при электрослабом фазовом переходе или за его пределами.
Однако, как показали исследователи, некоторые трудности позволяют предположить, что переохлажденный FOPT не может быть источником наблюдаемого SGWB.
Исследователи планируют исследовать другие FOPT, которые могли бы объяснить наблюдаемый сигнал.
«Если неизвестный темный сектор способен производить киральные фазовые переходы, подобные тем, которые происходят в квантовой хромодинамике, и тем самым также генерировать сигналы гравитационных волн в диапазоне наногерц, он, естественно, может быть ответственным за такие низкочастотные сигналы гравитационных волн», — объяснил профессор Чи. — Тинг.
Профессор Юнчэн добавил: «Переохлажденный фазовый переход может спровоцировать образование первичных черных дыр, которые могут быть частью темной материи в нашей Вселенной. Бурный процесс переохлаждения FOPT и гораздо более высокая энергия, выделяющаяся во время этого процесса, также могут создать среду для производства частиц, что гораздо важнее, когда мы рассматриваем производство темной материи».
Профессор Лей также упомянул об исследовании более широких космологических последствий, таких как сверхмассивные двойные черные дыры.
Исследователи также планируют опубликовать программное обеспечение и расчеты, разработанные в рамках этой работы.
«Мы планируем выпустить общедоступное программное обеспечение с полным расчетом от модели физики элементарных частиц до спектров гравитационных волн, которое будет современным и настолько точным, насколько это возможно сегодня, чтобы другие команды могли легко применить тот же уровень точности. как и мы», — заключил профессор Атрон.
