新安晚報 安徽網(wǎng) 大皖新聞訊  中國科大蔡一夫教授帶領(lǐng)國際合作團隊發(fā)現(xiàn)了嬰兒宇宙處在高能物理的“沙漠”能區(qū)時，存在原初引力波共振的非線性理論現(xiàn)象。原初引力波信號通過該現(xiàn)象過程，能給被共振放大4至6個數(shù)量級乃至更大，從而被原初引力波探測器檢出，可用于驗證某些傳統(tǒng)物理“不可觸及”的宇宙起源理論模型。這個新結(jié)果可以為國際上盛行的原初引力波探測實驗建設(shè)提供重要科學(xué)目標，也為搜尋超出粒子物理標準模型的高能新物理打開了一扇窗口。該成果發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》。

如果將現(xiàn)在的宇宙比喻為一名成長的孩童，那嬰兒時期的宇宙中，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，遠超現(xiàn)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(qū)新物理，因為超出當前探索能力，被稱為高能物理的“沙漠”區(qū)域。

當前探索宇宙起源的主要科技手段是去搜尋來自宇宙創(chuàng)生時期的時空漣漪，也就是原初引力波。它就像留聲機一樣忠實地記錄了宇宙在古早時期所發(fā)生的一切。然而，這些時空波動的幅度大小正是直接由嬰兒時期的宇宙能標所決定的。因此，能否捕獲到原初引力波幾乎成為了人類是否還有機會走出嬰兒宇宙的“沙漠”地帶，并尋找到超出粒子物理標準模型的高能區(qū)新物理的唯一關(guān)鍵線索。

高能區(qū)的物理沙漠中，存在著一小片新物理綠洲，由共振增益機制放大到可觀測的范圍，被原初引力波望遠鏡探測到。圖片來源：歐洲空間局/普朗克合作組

“暴脹宇宙”是宇宙起源和高能區(qū)新物理的代表性假說，該觀點認為，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證該理論。但原初引力波作為暴脹學(xué)說另一重要預(yù)言，遲遲未被捕獲。原初引力波已成為國內(nèi)外多個宇宙學(xué)實驗重點搜尋對象。一旦人類成功捕獲到原初引力波，宇宙是否發(fā)生過極早期的暴脹過程可以得到蓋棺定論的檢驗，高能區(qū)新物理能標也可精確測定。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)（高于當前人類能觸及的最高能標，即對撞機實驗?zāi)軜耍诌h低于相互作用大統(tǒng)一的理論能標），相應(yīng)產(chǎn)生的原初引力波信號幅度會非常小，幾乎不能被宇宙學(xué)探測技術(shù)所察覺。傳統(tǒng)的學(xué)術(shù)觀點因此認為在這個能區(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)”。

在研究中，蔡一夫團隊引入了一個具有參數(shù)共振演化行為的重場，使其與原初引力波發(fā)生非線性耦合，從而為原初引力波的共振增益提供了能量來源。并且暴脹背景演化的特殊動力學(xué)性質(zhì)（專業(yè)術(shù)語為，慢滾暴脹）可使該重場和傳統(tǒng)的原初物質(zhì)擾動之間幾乎互不干擾，從而確保暴脹學(xué)說與當前的宇宙學(xué)觀測能夠完美契合。

研究通過構(gòu)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(qū)經(jīng)歷的暴脹過程，也能產(chǎn)生足夠大的原初引力波，從而理論上說明高能物理的“沙漠”也可能存在生機盎然的新物理“綠洲”。

根據(jù)該研究預(yù)分析，這個通過非線性共振過程產(chǎn)生原初引力波的新理論起源機制有望在不久將來的宇宙微波背景輻射實驗中得以檢驗，例如國際的LiteBird小鳥太空望遠鏡，以及中國的阿里原初引力波實驗等。

該工作國際合作團隊人員有：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)美國普林斯頓大學(xué)物理系博士生）。該研究獲得科學(xué)技術(shù)部國家重點研發(fā)計劃“引力波探測”重點專項、國家自然科學(xué)基金委應(yīng)急管理項目、國際(地區(qū))合作與交流項目、教育部中央高校基本科研專項、國家留學(xué)基金委創(chuàng)新型人才國際合作培養(yǎng)項目、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域優(yōu)秀青年團隊、中科大國際化發(fā)展基金的資助。

新安晚報 安徽網(wǎng) 大皖新聞記者 陳牧

編輯 張大為