中国科学院理论物理研究所研究员、河南师范大学特聘讲席教授杨金民和其博士生肖洋，与郑州大学青年教师张阳合作，提出纳赫兹引力波可能源于暗物质导致的宇宙相变，从而把宇宙涟漪和神秘的暗物质以及宇宙婴儿期历史联系在一起。近日，相关成果发表于Science Bulletin（https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.11.025） 。

继美国LIGO天文台于2015年发现引力波并于2017年获得诺奖后，中国天眼FAST和欧美的脉冲星测时阵列研究团队都探测到了纳赫兹引力波（极低频的时空扰动，频率为10的负9次方赫兹）存在的关键性证据，纳赫兹引力波的来源可能是超大质量黑洞合并，但也可能是宇宙的早期相变所引起。

按照宇宙学的主流理论，宇宙起源于一次大爆炸，其早期经历了从希格斯场电弱真空值为零（所有粒子都没有质量）到非零（粒子开始有质量）的一级相变。非零真空通常在宇宙温度大约为100 GeV成为真真空，但是相变可能到宇宙冷却到1 GeV以下才结束，这种现象称为过冷相变，类似于过冷水的结冰相变。这种过冷的一级相变所引发的引力波就是纳赫兹的背景引力波。

但是，在基本粒子物理的标准模型中，希格斯场从真空值为零到非零的转换是平滑过渡而不是一级相变。因此，实现这个相变过程需要超出标准模型的新物理，也就是说产生纳赫兹引力波的一级过冷相变可能预示着超出标准模型新物理的存在。

这一成果探索了由于引入暗物质而产生的过冷一级相变所引发的纳赫兹引力波。这个新物理理论提供了对当前宇宙暗物质丰度观测结果的解释，把暗物质和希格斯耦合在一起，扩充了希格斯的势能并引发上面所说的一级过冷相变。如下图所示，相变产生的引力波可以解释中国天眼和欧美的脉冲星测时阵列研究团队所探测到得纳赫兹引力波的可能信号。这个图中的蓝色实线对应于过冷相变产生的引力波谱，若考虑到相变所释放的能量所可能导致的重加热（reheat）现象，引力波谱则向右下方移至绿色虚线。从这图可以看到，这一理论所预言的引力波的高频部分可以被未来的引力波探测实验（中国的天琴和太极以及欧洲的LISA）所检验。

至此，这一成果把宇宙时空涟漪和神秘的暗物质以及宇宙婴儿期历史联系一起了，预示着可以通过引力波探测来探知神秘的暗物质和宇宙所经历的浴火历史。

图注：标量暗物质模型中由电弱相变泡泡碰撞产生的随机引力波背景的频谱，与脉冲星定时阵列观测结果（小提琴图）和未来的各个探测器的探测能力（点线）对比。其中蓝色实线参考温度为1.48 GeV，绿色虚线参考温度为47 GeV。

【原文信息】 

Yang Xiao, Jin Min Yang, Yang Zhang. Implications of nano-hertz gravitational waves on electroweak phase transition in the singlet dark matter model. Science Bulletin, 2023, 68(24):3158–3164

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S209592732300779X

http://engine.scichina.com/doi/10.1016/j.scib.2023.11.025