“嬰兒宇宙”新理論助力“捕捉”原初引力波

　　中國科學技術大學蔡一夫教授帶領國際合作團隊發現“嬰兒宇宙”處在高能物理的“沙漠”能區時，存在原初引力波共振非線性理論現象。原初引力波信號通過該現象過程，能被放大4至6個數量級乃至更大，從而被探測器檢出，可用于驗證某些傳統物理“不可觸及”的宇宙起源理論模型。該成果日前發表于《物理評論快報》。

　　在嬰兒時期的宇宙中，現在所有的物質和暗物質都曾以極微小的基本粒子形態存在。“嬰兒宇宙”溫度極高，遠超現在高能物理實驗中能觸及的最高溫度（能標）。這段時期的物理被稱為高能區新物理，因為超出當前探索能力，被稱為高能物理的“沙漠”區域。

　　當前，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，即原初引力波，它就像留聲機一樣忠實地記錄了宇宙在早期所發生的一切。能否捕獲到原初引力波，是人類尋找超出粒子物理標準模型的高能區新物理的關鍵線索。

　　“暴脹宇宙”是宇宙起源和高能區新物理的代表性假說，認為宇宙在大爆炸后一瞬間，體積急劇放大。宇宙微波背景輻射天圖部分驗證該理論，但原初引力波作為暴脹學說另一重要預言遲遲未被捕獲。一旦人類成功捕獲原初引力波，宇宙是否發生過極早期的暴脹過程就可以得到蓋棺定論的檢驗，高能區新物理能標也可精確測定。但如果暴脹恰好發生在“嬰兒宇宙”的高能物理“沙漠”能區，產生的原初引力波信號幅度會非常小，幾乎不能被宇宙學探測技術所察覺。

　　蔡一夫團隊引入一個具有參數共振演化行為的重場，使其與原初引力波發生非線性耦合，從而為原初引力波的共振增益提供能量。暴脹背景演化的特殊動力學性質可使該重場和傳統的原初物質擾動之間幾乎互不干擾，從而確保暴脹學說與宇宙學觀測完美契合。

　　他們通過構造一個具體的模型范例，精準地論證出即便“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”區域也可能存在生機盎然的新物理“綠洲”。

　　這一成果為原初引力波探測實驗建設提供了重要科學目標，也為搜尋超出粒子物理標準模型的高能新物理打開一扇窗。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.251301