許多粒子物理和天體物理宇宙學的觀測均預示著目前描述物質(zhì)微觀結構的粒子物理標準模型是不完備的。搜尋超出粒子物理標準模型的新物理的信號是當前粒子物理和宇宙學觀測的重要科學問題之一。較多超出粒子物理標準模型的新物理模型都預言了宇宙演化過程中會發(fā)生一階相變。隨著宇宙膨脹和溫度降低，高能標下的對稱性發(fā)生自發(fā)破缺，相關的量子場從假真空通過量子隧穿到真真空，導致真空泡泡不斷涌現(xiàn)并長大，假真空中的能量不斷轉移到泡壁和背景流體中，類似生活中的過冷水結冰現(xiàn)象。隨后，膨脹的真空泡泡會相互碰撞，造成能量密度的大幅度擾動。作為早期宇宙中發(fā)生的劇烈過程，一階相變會產(chǎn)生一系列可觀測效應，包括隨機引力波背景、原初磁場、重子不對稱性等。這使科學家有望通過天文和宇宙學的觀測來探測或限制新物理。探測宇宙一階相變相伴產(chǎn)生的引力波也是較多引力波探測計劃的主要科學目標之一。

近日，中國科學院大學國際理論物理中心(亞太地區(qū))博士后劉京、重慶大學邊立功副研究員，以及中科院理論物理研究所研究員蔡榮根、郭宗寬和博士后王少江，提出了一個原初黑洞形成的新機制，并利用天文觀測數(shù)據(jù)對一階相變的性質(zhì)給出了嚴格的限制。由于真空隧穿的隨機性，不同區(qū)域內(nèi)假真空衰變的進度不同。研究注意到假真空內(nèi)的能量密度幾乎不隨宇宙膨脹改變，而其他物質(zhì)組分能量密度如輻射和冷物質(zhì)均會隨宇宙膨脹迅速降低。因此，在相變結束后，較晚衰變的區(qū)域中能量密度較高。也就是說，宇宙學一階相變會誘導能量密度擾動。這些較高能量密度的區(qū)域通過引力坍塌導致原初黑洞形成。這些原初黑洞的質(zhì)量譜幾乎是單色的。相關成果以快報(Letter)的形式，發(fā)表在Physical Review D【105 (2022) L021303】上。通過這一機制形成的原初黑洞和相伴的引力波可以解釋LIGO-Vergo合作組觀測到的黑洞并合率，也可以解釋北美納赫茲引力波天文臺(NANOGrav)觀測到的信號。

研究發(fā)現(xiàn)，一階相變會誘導產(chǎn)生超視界曲率擾動，并可以通過對宇宙小尺度曲率擾動的觀測來探測和限制相變的性質(zhì)。研究顯示，通過量子隧穿理論可以得到單位時間單位體積內(nèi)真空泡泡的產(chǎn)生幾率。相變結束后，由于尺度大于相變時間乘以光速的區(qū)域彼此沒有因果聯(lián)系，因果律要求曲率擾動的能量譜正比于波數(shù)的三次方。如果考慮超視界尺度，相變誘導的曲率擾動可以在小尺度遠超過宇宙早期暴脹產(chǎn)生的原初擾動，而被很多天文觀測實驗所探測，包括宇宙微波背景輻射溫度各向異性和譜畸變以及超密暗暈的數(shù)密度等。反過來說，科學家可以通過這些天文觀測提供的曲率擾動功率譜的上限來對相變性質(zhì)給出限制。

研究得到了一階相變誘導的曲率擾動功率譜，并首次通過天文觀測的曲率擾動上限給出了相變參數(shù)的嚴格限制。相關成果發(fā)表在Physical Review Letters【130 (2023) 051001】上。如圖所示，該工作得到了對電弱能標及以下所有宇宙學一階相變的限制。被限制的相變參數(shù)包括相變強度α，相變速率β/H-*和相變溫度T*，這些限制來自原初核合成過程(藍線)、宇宙微波背景輻射譜畸變(綠線)和超密暗暈的數(shù)密度(橙實線來自脈沖星計時，橙虛線來自伽馬射線探測)給出的曲率擾動的上限。該成果拓展了此前通過隨機引力波背景(灰色實線)和原初核合成探測(灰色點虛線)對QCD一階相變、低能標暗相變和某些電弱相變參數(shù)空間的限制，尤其對低能標相變和慢相變給出了很強的限制。

研究工作得到國家自然科學基金、科技部和中科院的支持。

對曲率擾動的不同觀測實驗對相變參數(shù)空間的限制，其中，α代表相變的強度，β/H-*代表相變的速率，T*為相變的溫度。左圖和中圖里灰色實線和灰色點虛線為通過引力波和原初核合成對相變參數(shù)空間的限制。