物理学院特聘教授杨金民和其博士生肖洋与郑州大学青年教师张阳博士合作，提出纳赫兹引力波源于希格斯粒子和暗物质相互作用引发的早期宇宙过冷电弱一级相变，从而把引力波和希格斯粒子以及神秘的暗物质联系在一起，共同揭示宇宙婴儿期历史。近日，相关研究成果发表于Science Bulletin 68 (2023) 3158（论文的全文见网页https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.025）。
引力波是爱因斯坦在其广义相对论中预测的一种宇宙现象，它们产生于质量或能量分布的变化而导致的周围时空所发生的弯曲和扭曲，这些扭曲以波的形式向外传播。2015年LIGO天文台在美国首次探测到引力波的信号并于2017年荣获诺贝尔物理学奖。此次发现激发了国际上对引力波探测与理论研究的热潮。
引力波的频谱非常广泛，其峰值频段与产生这些波的源头紧密相关。去年，中国的FAST天文台和欧美的脉冲星测时阵列研究团队均提供了纳赫兹引力波（频率约为10的-9次方赫兹的极低频时空扰动）存在的关键证据。因此，揭示这些引力波的来源已成为一个紧迫的科学问题。一个潜在的源头可能是宇宙早期的一阶电弱相变。
根据宇宙学的主流理论，宇宙起源于大爆炸，早期阶段经历了希格斯场电弱真空期望值从零到非零的转变，这一过程赋予了基本粒子以质量。这种转变通常发生在温度约为O(100) GeV时。这一转变可能以一阶相变的方式发生，即为电弱一阶相变，类似于水凝结成冰的日常现象。在特定条件下，极纯净的水甚至在冰点以下也不会结冰，直到一个微小的扰动引发瞬间结冰，这种现象称为过冷相变。宇宙的相变也可能类似：即使温度低于O(100) GeV，宇宙可能仍保持电弱真空期望值为零，直至某个时刻，希格斯场的局部涨落导致非零期望值的出现，这些非零期望值区域将像膨胀的泡泡一样扩散，最终填满整个宇宙。泡泡的膨胀和碰撞过程中将产生相变引力波。如果相变发生的温度能降至约1 GeV，那么由这种过冷一级电弱相变产生的引力波频率可能会低至纳赫兹。
然而，根据粒子物理学的标准模型，上述的一阶电弱相变无法实现。格点计算显示，只有当希格斯粒子的质量低于75 GeV时，标准模型才可能实现一级相变。但2012年在LHC对撞机上发现的希格斯粒子质量约为125 GeV，远超过75 GeV，这表明在标准模型框架下不会发生电弱一级相变。进一步的研究证实，标准模型中希格斯场的真空期望值从零到非零的转变是一个平滑的过渡。因此，要实现一级电弱相变，需要对标准模型希格斯部分进行扩展，这意味着产生纳赫兹引力波的一级过冷电弱相变可能指向了超出标准模型的新物理。此外，电弱重子数的产生（解释宇宙中物质与反物质不对称的现象）也需要一阶电弱相变，这同样要求对标准模型的希格斯部分进行扩充。
杨金民教授的研究小组深入研究了一个扩展的希格斯模型，该模型不仅超越了标准模型的局限，还巧妙地将暗物质融入其中。该理论框架通过引入一个新的单态希格斯粒子并赋予其独特的Z2对称性，维持了这个单态希格斯粒子的稳定性，使其成为理想的暗物质候选者。由于扩充了希格斯部分，使得该模型的一阶相变成为可能。这个模型的优雅之处在于它的简洁性和经济性，仅对希格斯部分进行最小的扩展，就能提供包括暗物质丰度在内的一系列宇宙学现象的解释。
在这篇发表的文章中，下面的图形清晰展示了理论预测的结果。其中蓝色实线代表了过冷相变所产生的引力波谱，而当考虑相变释放能量可能引起的重加热效应时，引力波谱将向右下方移动，如绿色虚线所示。根据这个图形的结果，我们可以期待使用现有的引力波探测设施（如中国的天眼和欧美的脉冲星测时阵列）来验证这些低频引力波的存在。同时，高频部分的引力波则有望在未来的引力波探测项目（比如中国的天琴和太极项目以及欧洲的LISA项目）中得到探测。
这项研究不仅为我们提供了一个全新的视角来观察宇宙的暗物质和早期历史，而且还为未来的观测和实验提供了明确的预测。通过对纳赫兹引力波的探测，我们不仅有可能揭示暗物质的本质，还能进一步理解宇宙在其形成伊始时的演化。这不仅丰富了我们对宇宙起源的认识，也为宇宙学和物理学的多个领域搭建了桥梁，预示着通过引力波探测可以揭开早期宇宙史和暗物质之谜。
