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    我国学者与海外合作者发现原初引力波的新非线性动力学

    日期 2021-12-23   来源:数理科学部   作者:刘强 蔡一夫  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:11653002、11961131007)等资助下,中国科学技术大学蔡一夫教授团队与日本东京大学Misao Sasaki教授团队合作,在宇宙起源和原初引力波的非线性动力学领域取得进展。研究成果以“暴胀宇宙中通过参数共振打破原初引力波莱斯限的理论突破(Beating the Lyth bound by parametric resonance during inflation)”为题,于2021年12月15日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)期刊上。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.251301。

      探索宇宙起源的主要手段是去搜寻来自宇宙创生时期的时空涟漪,也就是原初引力波,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。因此,能否捕获到原初引力波成为了人类是否在婴儿宇宙寻找到超出粒子物理标准模型的高能新物理的关键线索之一。暴胀学说,作为宇宙起源和高能新物理的代表性假说,在宇宙微波背景辐射实验中得到了部分验证。但原初引力波作为该学说的核心预言,却迟迟未被捕获,这已成为国内外宇宙学实验重点搜寻的科学目标。但如果暴胀恰好发生在婴儿宇宙的“沙漠”能区(高于当前的对撞机实验能标,又远低于相互作用大统一的理论能标),所产生的原初引力波信号会非常小,几乎不能被宇宙学探测技术所察觉。

      蔡一夫团队引入了一个具有参数共振演化行为的重场,使其与原初引力波发生非线性耦合,从而为原初引力波的共振增益提供了能量来源。并且暴胀背景演化所满足的慢滚动力学可使该重场和传统的原初物质扰动之间几乎互不干扰,从而确保暴胀学说与当前的宇宙学观测能够完美契合。该研究通过构造一个具体的模型范例精准地论证出: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”(图1)。

      探索未知的浩瀚宇宙,尤其是“宇宙起源”问题始终对人类有着极大的吸引力。随着引力波天文学时代的来临,人类不仅可以通过电磁信号的望远镜“看”宇宙,也可以通过引力波望远镜“听”宇宙。为了一窥宇宙的起源,宇宙学家始终努力攻关,致力于搜寻来自婴儿宇宙的蛛丝马迹。根据蔡一夫团队的研究结果,通过非线性共振过程产生原初引力波的新理论机制有望在积极建设中的宇宙微波背景辐射实验中得以检验,例如国际的LiteBIRD小鸟太空望远镜、中国的阿里原初引力波实验等(图2)。这一最新进展不仅为观测宇宙学提供了新的科学目标,而且为探索宇宙起源这一重大科学问题提供了新方法和新理论,推动了人类对极早期宇宙的科学认知。

    图1  高能区的物理沙漠中,存在着一小片新物理绿洲,由原初引力波共振增益机制放大到可观测的范围,并可以被宇宙微波背景辐射望远镜探测检验。背景图来源:欧洲空间局/普朗克合作组

    图2  原初引力波在特定物理环境下发生参数共振非线性增益的动力学。左:参数共振重场的幅度增益(黑线)以及与传统原初物质扰动的比较(红线);右:新提出的原初引力波共振产生机制所给出的理论预言信号(黑线、红线)与国际LiteBIRD小鸟太空望远镜探测能力(绿线)的比较




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