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中國(guó)科大蔡一夫教授帶領(lǐng)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了嬰兒宇宙處在高能物理的“沙漠”能區(qū)時(shí)，存在原初引力波共振的非線(xiàn)性理論現(xiàn)象。原初引力波信號(hào)通過(guò)該現(xiàn)象過(guò)程，能給被共振放大4至6個(gè)數(shù)量級(jí)乃至更大，從而被原初引力波探測(cè)器檢出，可用于驗(yàn)證某些傳統(tǒng)物理“不可觸及”的宇宙起源理論模型。這個(gè)新結(jié)果可以為國(guó)際上盛行的原初引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)建設(shè)提供重要科學(xué)目標(biāo)，也為搜尋超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的高能新物理打開(kāi)了一扇窗口。該成果以“Beating the Lyth bound by parametric resonance during in?ation”為題，發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

如果將現(xiàn)在的宇宙比喻為一名成長(zhǎng)的孩童，那嬰兒時(shí)期的宇宙中，現(xiàn)在所有的物質(zhì)和暗物質(zhì)都曾經(jīng)是以極為微小的基本粒子的形態(tài)存在。“嬰兒宇宙”溫度極高，遠(yuǎn)超現(xiàn)在高能物理實(shí)驗(yàn)中能觸及的最高溫度（能標(biāo)）。這段時(shí)期的物理被稱(chēng)為高能區(qū)新物理，因?yàn)槌霎?dāng)前探索能力，被稱(chēng)為高能物理的“沙漠”區(qū)域。

當(dāng)前探索宇宙起源的主要科技手段是去搜尋來(lái)自宇宙創(chuàng)生時(shí)期的時(shí)空漣漪，也就是原初引力波。它就像留聲機(jī)一樣忠實(shí)地記錄了宇宙在古早時(shí)期所發(fā)生的一切。然而，這些時(shí)空波動(dòng)的幅度大小正是直接由嬰兒時(shí)期的宇宙能標(biāo)所決定的。因此，能否捕獲到原初引力波幾乎成為了人類(lèi)是否還有機(jī)會(huì)走出嬰兒宇宙的“沙漠”地帶，并尋找到超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的高能區(qū)新物理的唯一關(guān)鍵線(xiàn)索[注釋]。

“暴脹宇宙”是宇宙起源和高能區(qū)新物理的代表性假說(shuō)，該觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，宇宙在大爆炸創(chuàng)生之后約10^-30秒的一瞬間，體積急劇放大了約10^80倍。宇宙微波背景輻射天圖部分驗(yàn)證該理論。但原初引力波作為暴脹學(xué)說(shuō)另一重要預(yù)言，遲遲未被捕獲。原初引力波已成為國(guó)內(nèi)外多個(gè)宇宙學(xué)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)搜尋對(duì)象。一旦人類(lèi)成功捕獲到原初引力波，宇宙是否發(fā)生過(guò)極早期的暴脹過(guò)程可以得到蓋棺定論的檢驗(yàn)，高能區(qū)新物理能標(biāo)也可精確測(cè)定。但如果暴脹恰好發(fā)生在嬰兒宇宙的高能物理“沙漠”能區(qū)（高于當(dāng)前人類(lèi)能觸及的最高能標(biāo)，即對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)軜?biāo)，但又遠(yuǎn)低于相互作用大統(tǒng)一的理論能標(biāo)），相應(yīng)產(chǎn)生的原初引力波信號(hào)幅度會(huì)非常小，幾乎不能被宇宙學(xué)探測(cè)技術(shù)所察覺(jué)。傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)觀(guān)點(diǎn)因此認(rèn)為在這個(gè)能區(qū)范圍去搜尋原初引力波以及其相關(guān)新物理是“不可能完成的任務(wù)”。

在本研究中，蔡一夫團(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)具有參數(shù)共振演化行為的重場(chǎng)，使其與原初引力波發(fā)生非線(xiàn)性耦合，從而為原初引力波的共振增益提供了能量來(lái)源。并且暴脹背景演化的特殊動(dòng)力學(xué)性質(zhì)（專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)為，慢滾暴脹）可使該重場(chǎng)和傳統(tǒng)的原初物質(zhì)擾動(dòng)之間幾乎互不干擾，從而確保暴脹學(xué)說(shuō)與當(dāng)前的宇宙學(xué)觀(guān)測(cè)能夠完美契合。

本研究通過(guò)構(gòu)造一個(gè)具體的模型范例，精準(zhǔn)地論證出：即便嬰兒宇宙是在超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的“沙漠”能區(qū)經(jīng)歷的暴脹過(guò)程，也能產(chǎn)生足夠大的原初引力波，從而理論上說(shuō)明高能物理的“沙漠”也可能存在生機(jī)盎然的新物理“綠洲”。

圖1：高能區(qū)的物理沙漠中，存在著一小片新物理綠洲，由共振增益機(jī)制放大到可觀(guān)測(cè)的范圍，被原初引力波望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。圖片來(lái)源：歐洲空間局/普朗克合作組

根據(jù)本研究預(yù)分析，這個(gè)通過(guò)非線(xiàn)性共振過(guò)程產(chǎn)生原初引力波的新理論起源機(jī)制有望在不久將來(lái)的宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)中得以檢驗(yàn)，例如國(guó)際的LiteBird小鳥(niǎo)太空望遠(yuǎn)鏡，以及中國(guó)的阿里原初引力波實(shí)驗(yàn)等。

圖2：左：參數(shù)共振重場(chǎng)的幅度增益（黑線(xiàn)）以及與傳統(tǒng)原初物質(zhì)擾動(dòng)的比較（紅線(xiàn)）；右：新提出的原初引力波共振產(chǎn)生機(jī)制所給出的理論預(yù)言信號(hào)（黑線(xiàn)、紅線(xiàn)）與國(guó)際LiteBird小鳥(niǎo)太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)能力（綠線(xiàn)）的比較。

本工作國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)人員有：日本東京大學(xué)數(shù)物連攜研究所佐佐木節(jié)（Misao Sasaki）教授、博士后Valeri Vardanyan、中科大物理學(xué)院博士生江捷、本科畢業(yè)生周子涵（現(xiàn)美國(guó)普林斯頓大學(xué)物理系博士生）。

本研究獲得科學(xué)技術(shù)部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“引力波探測(cè)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委應(yīng)急管理項(xiàng)目、國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、教育部中央高校基本科研專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家留學(xué)基金委創(chuàng)新型人才國(guó)際合作培養(yǎng)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域優(yōu)秀青年團(tuán)隊(duì)、中科大國(guó)際化發(fā)展基金的資助。

注釋?zhuān)簢?yán)格來(lái)說(shuō)，引力波探測(cè)只是多個(gè)尋找超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的科技手段其中一種，還有傳統(tǒng)對(duì)撞機(jī)科學(xué)、高能宇宙射線(xiàn)等；引力波探測(cè)目標(biāo)中，除了原初引力波，還有相變引力波、原初黑洞誘生引力波等。但這些技術(shù)手段要么離高能物理的“沙漠”能區(qū)相差甚遠(yuǎn)，要么背后的物理理論還存在不確定性。而原初引力波，只須熱大爆炸宇宙學(xué)說(shuō)成立，就必然存在。因此對(duì)它的科學(xué)探索幾乎成為了人類(lèi)走出嬰兒宇宙的“沙漠”能區(qū)并找到新物理的唯一關(guān)鍵線(xiàn)索。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.251301

（物理學(xué)院、中科院星系宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研部）