宇宙微波背景实验可以探索宇宙膨胀与粒子物理学之间的联系

Josiah01 · 发表于 2024-8-5 16:24:00

　　未来十年，各种大型天体物理研究项目将陆续展开，其中几个就是所谓的宇宙微波背景 (CMB) 实验。这些大规模科学研究旨在探测和研究 CMB 辐射，这种辐射本质上是源自早期宇宙的热辐射。
　　比利时天主教鲁汶大学的研究人员最近表明，即将利用日本的 LiteBIRD 卫星或主要由美国资助的 CMB 第四阶段 (CMB-S4) 天文台进行的 CMB 观测，可以通过探测原始引力波，首次测量所谓的暴胀场与其他粒子的耦合，如果添加来自光学调查或下一代射电望远镜的数据，则可能进一步改进。
　　他们的论文发表在《物理评论快报》上，指出这种测量有助于探索宇宙膨胀和粒子物理学之间的联系。
　　“粒子物理学标准模型最令人惊奇的方面之一是，它不仅用一些对称性和少量数字来描述地球上发现的所有基本粒子，而且这些定律似乎也足够普遍，可以适用于宇宙的遥远区域以及大爆炸后第一时间发生的过程，”论文的两位作者马可·德鲁斯和雷明告诉 Phys.org。
　　“很自然地，我们会问，利用粒子物理理论，我们可以追溯多远的历史，以及我们可以从早期宇宙中学到什么超越标准模型的新物理学。”
　　德鲁斯和明的研究源于他们对粒子物理学和宇宙学之间联系的痴迷。他们最近的论文以德鲁斯 2015 年开始的先前研究为基础，这些研究为明的博士项目奠定了基础。
　　在进行这项研究时，雷明是鲁汶大学客座博士生，也是德鲁斯研究小组的成员。此后，他已毕业并开始在中山大学广州分校工作。
　　“人们普遍认为，可观测宇宙的整体同质性是大约 140 亿年前宇宙加速膨胀阶段的结果，被称为‘宇宙膨胀’，”德鲁斯和明说。“然而，驱动这种加速的机制与自然基本理论，尤其是粒子物理学的标准模型有何关联尚不清楚。CMB 中的‘宇宙再加热’印记可能提供了一个重要的线索。”
　　宇宙再加热是早期宇宙在膨胀冷却后充满热等离子体的过程。这一过程最终为“热大爆炸”奠定了初始条件，从而形成了我们所知的宇宙。
　　一些先前的研究已经探索了利用 CMB 数据限制宇宙初始温度的可能性。然而，Drewes 和 Ming 的研究更进一步，调查了这些数据在多大程度上可以洞察 CMB 与粒子物理学之间的联系。
　　再加热是由驱动宇宙膨胀的场（即暴胀子）与其他粒子之间的相互作用驱动的，因此对控制这种相互作用强度的基本耦合常数（暴胀子耦合）很敏感。高中物理中与这种耦合类似的是，例如，控制电场和带电粒子之间相互作用强度的基本电荷。
　　“我们表明，像 CMB-S4 或 LiteBIRD 这样的实验首次可以测量这种耦合，”Drewes 和 Ming 说。“这是一个微观物理参数，它不仅通过设定大爆炸期间原始等离子体的初始温度来塑造我们宇宙的演化，还可以告诉我们一些关于宇宙膨胀模型和粒子物理理论之间联系的信息。因此，我们的工作为这些实验的物理案例增添了新的方面。”
　　为了模拟再加热过程，研究人员需要结合使用基于粒子物理学（特别是量子场论）和统计力学的技术。在他们之前的工作中，Drewes 和 Ming 使用一种称为 Schwinger-Keldysh 形式的方法实现了这一点。
　　“在早期的研究工作中，我们使用了所谓的 Schwinger-Keldysh 形式，这是一种描述密集介质中非平衡量子过程的方法，最初是在凝聚态物理学中开发的，后来推广到粒子物理学，以确定在何种条件下暴胀子耦合原则上可以用 CMB 数据进行约束，”Drewes 和 Ming 解释道。
　　作为他们最近研究的一部分，研究人员利用这些结果来确定下一代 CMB 实验是否真的可以进行这种测量。为此，他们使用了一种基于贝叶斯统计的技术，利用了未来探测器对原始引力波的灵敏度。
　　“我们当前研究中的灵敏度主要由 CMB-S4 或 LiteBIRD 对膨胀产生的原始引力波的灵敏度驱动，”Drewes 和 Ming 补充道。“我们现在计划研究当包括其他可观测量时可以获得多少信息，例如宇宙学扰动中的非高斯性或所谓的光谱指数的运行。”
　　总体而言，该研究小组进行的分析结果证明了未来 CMB 实验在探索宇宙膨胀和粒子物理之间的联系方面的潜力。
　　德鲁斯和明希望他们的研究能够鼓励美国国家科学基金会 (NSF) 和其他资助组织支持 CMB 研究，包括 2024 年 5 月暂停的南极活动，并为 CMB-S4 实验铺平道路。

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