Фазовые переходы могут объяснить гравитационные волны
В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, рассматривается возможность того, что сильно переохлажденный фазовый переход первого рода в ранней Вселенной мог бы 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, подобными слиянию черных дыр. Впервые они были обнаружены LIGO в 2016 году, подтвердив предсказания Эйнштейна почти столетие спустя. Наиболее распространенными источниками гравитационных черных дыр являются сливающиеся черные дыры, вращающиеся нейтронные звезды и сверхновые. Недавно NANOGrav, или Североамериканская наногерцовая обсерватория гравитационных волн, обнаружила наличие стохастического фона гравитационных волн (SGWB) от временных массивов пульсаров (PTA). SGWB отличаются друг от друга тем, что они изотропны, то есть распространяются одинаково во всех направлениях, что указывает на то, что их источники равномерно распределены по всей Вселенной.
Это открытие побудило ученых, участвовавших в исследовании PRL, исследовать происхождение этих волн, которые могли быть вызваны фазовыми переходами первого рода (FOPT) в ранней Вселенной. Phys.org поговорил с соавторами исследования, профессором Дж. Юнчэн Ву, профессор. Чи-Тин Лу, профессор Питер Атрон и профессор Лей В из Нанкинского педагогического университета, чтобы узнать больше об их работе. "Наше исследование ранней Вселенной ограничено периодом после образования реликтового излучения (космического микроволнового фона). Хотя у нас есть некоторые косвенные намеки на то, что происходило до реликтового излучения, гравитационные волны в настоящее время являются единственным методом исследования самой ранней вселенной", - сказал Юнченг. Профессор Добавлено леев, "в последние несколько лет, в переохлажденных FOPT широко рассматривается как возможный источник SGWB". "Новый сигнал воспринимается FOPT может быть свидетельством, как это происходит—очень захватывающая возможность", - сказал профессор Атрон.
Профессор Чи-Тин сказал, что он хотел понять связь между полем Хиггса и бозоном Хиггса и ее связь с механизмом нарушения электрослабой симметрии. "Связь сигналов гравитационных волн разных частот с космическими фазовыми переходами открыла мне еще одно окно для изучения этого", - сказал он.
Фазовые переходы первого порядка FOPT - это фазовые переходы, при которых система переходит из одной фазы в другую внезапно или прерывисто. Одним из таких примеров, которые мы наблюдаем в нашей повседневной жизни, является замерзание воды. "Вода может оставаться в жидком состоянии, даже если температура ниже точки замерзания. Затем, при небольшом возмущении [изменении], она внезапно превращается в лед. Ключевой особенностью является то, что система остается в фазе в течение длительного времени при температуре ниже температуры перехода", - пояснил профессор. Юнчэн. Электрослабое взаимодействие - это единое описание двух из четырех фундаментальных взаимодействий природы: электромагнитного взаимодействия и слабого ядерного взаимодействия. "Мы знаем, что в нашей Вселенной, одно резкое изменение—нарушение электрослабой симметрии, которая предсказывает все слабые ядерные взаимодействия—формирование масс всех элементарных частиц мы наблюдаем сегодня", - сказал профессор Атрон.
Это привело к расщеплению электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое посредством поля Хиггса (которое придает всем частицам их массу). Процесс, посредством которого это происходит, называется сильным электрослабым фазовым переходом первого рода. Переохлажденный FOPT - это тот, при котором падение температуры во время фазового перехода происходит внезапно. Исследователи хотели понять, может ли такой FOPT быть источником СГП, наблюдаемого коллаборацией NANOGrav. Идея, лежащая в основе этой теории, заключается в том, что ранняя Вселенная находилась в высокотемпературном состоянии, известном как состояние ложного вакуума, что означает, что ее энергия не является минимально возможной. По мере расширения и охлаждения Вселенной потенциальная энергия уменьшается. Ниже критической температуры состояние ложного вакуума становится нестабильным. При этой температуре квантовые флуктуации (случайные движения) могут инициировать формирование состояний истинного вакуума, которые являются состояниями с самой низкой энергией. Это происходит в процессе зарождения (формирования) пузырьков. Пузырьки представляют собой области, где произошел переход ложного вакуума в истинный. После образования зародышей эти пузырьки истинного вакуума растут и расширяются. Они могут сталкиваться и сливаться, в конечном итоге распространяясь в пространстве.
Перколяция - это образование связанной сети областей истинного вакуума. Фазовый переход завершается, когда значительная часть Вселенной находится в состоянии истинного вакуума. Для этого обычно требуется, чтобы пузырьки распространились по значительной части Вселенной. В ходе этого процесса столкновения и динамика расширяющихся пузырьков генерируют SGWB, что и наблюдали сотрудники NANOGrav collaboration. Работа исследователей началась с создания теоретической модели для изучения переохлажденных FOPT и возможности генерации SGWB. Профессор Лей пояснил: "В случае переохлажденных FOPT модели могут предсказать условия, при которых могут происходить такие переходы, включая температуру, при которой происходит фазовый переход, и характеристики процесса перехода". Исследователи начали с модификации потенциала Хиггса, который объясняет, как поле Хиггса взаимодействует само с собой и с другими фундаментальными частицами. Они добавили кубический элемент, чтобы облегчить динамику переохлажденного FOPT в ранней Вселенной. Здесь они определяют четыре ключевых параметра для изучения проблем, связанных с подгонкой сигнала наногерцевого диапазона (nHz) (регистрируемого коллаборацией NANOGrav) к этому кубическому потенциалу:
- Температура перколяции - это температура, при которой пузырьки в состоянии истинного вакуума зарождаются и растут в достаточной степени, чтобы образовать связанную сеть по всей Вселенной.
- Температура завершения - это температура, при которой фазовый переход полностью завершается, и вся Вселенная переходит в состояние истинного вакуума.
- Контрольная точка 1 представляет собой сценарий со значительной степенью переохлаждения, удовлетворяющий как критериям перколяции, так и критериям завершения.
- Контрольная точка 2 представляет собой сценарий, в котором было достигнуто более сильное переохлаждение при номинальной температуре перколяции около 100 МэВ, но оно не соответствует реалистичным критериям перколяции и не завершает переход.
Эти два температурных показателя необходимы для понимания динамики и времени фазового перехода. Они гарантируют, что переход является всеобъемлющим и завершенным, что необходимо для генерации гравитационно-волнового сигнала. С другой стороны, контрольные показатели выявляют проблемы, с которыми сталкивается переохлажденный FOPT при создании SGWB. Исследователи выявили две основные проблемы, которые исключают использование модели FOPT с переохлаждением в качестве объяснения сигнала nHz, обнаруженного коллаборацией NANOGrav. Первая задача - это просачивание и завершение процесса переохлаждения FOPT. Когда температура Вселенной упадет ниже критического значения, фазовый переход не произойдет. Это происходит потому, что энергия, необходимая для пузырей новой фазы (истинный вакуум) для пузырькового и растут низко. "Только несколько пузырьков форме и не растут достаточно быстро, чтобы заполнить вселенную", - пояснил профессор. Athron. Следовательно, завершение фазового перехода, при котором вся Вселенная переходит в новую фазу, становится менее вероятным.
Вторая проблема заключается в повторном нагреве. Даже если рассматривать сценарий, в котором каким-то образом достигается завершение, энергия, выделяющаяся во время фазового перехода, высвобождает тепло во Вселенной. Этот процесс повышает температуру Вселенной, процесс, известный как повторный нагрев. "Это затрудняет поддержание условий, необходимых для получения сверхзвукового излучения", - добавил профессор Лей. Гравитационные волны, возникающие в этом сценарии, не будут иметь той же частоты, что и те, которые наблюдаются с помощью PTA, обычно в диапазоне nHz. Переохлажденный FOPT в качестве объяснения SGWB может помочь обойти ограничения на модификации стандартной модели и связать сигнал nHz с новой физикой более высокого уровня, например, с электрослабым фазовым переходом или за его пределами. Однако, как показали исследователи, проблемы предполагают, что переохлажденный FOPT не может быть источником наблюдаемого SGWB. Исследователи планируют изучить другие FOPT, которые могли бы объяснить наблюдаемый сигнал. "Если неизвестные темный сектор способен генерировать хиральных фазовые переходы, аналогичные тем, в квантовой хромодинамике, тем самым еще больше производить МГц гравитационно-волновых сигналов, он мог, естественно, учитывать такие низкочастотные гравитационные волны сигналов", - пояснил профессор Чжи-Тин.
Профессор Юнчэн добавил: "Переохлажденный фазовый переход может спровоцировать образование первичных черных дыр, которые могут быть частью компонента темной материи нашей Вселенной. Интенсивный процесс переохлаждения FOPT и гораздо более высокая энергия, выделяющаяся во время процедуры, также могут создать среду для производства частиц, что гораздо важнее, если мы рассматриваем производство темной материи". Профессор Лей также упомянул об изучении более широких космологических аспектов, таких как двойные системы со сверхмассивными черными дырами. Исследователи также планируют выпустить программное обеспечение и расчеты, разработанные ими в ходе этой работы. "Мы планируем выпустить публичных программного обеспечения с помощью полного расчета от физики элементарных частиц модели гравитационно-волновых спектров, что это полностью современное состояние и с такой точностью, как сегодня можно осуществить так, что другие команды могут смело претендовать на том же уровне строгости, как у нас", - заключил профессор Атрон.
