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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站12月15日消息，中國科大蔡一夫教授帶領(lǐng)國際合作團(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，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(yàn)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(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)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報(bào)》。

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?！皨雰河钪妗睖囟葮O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)）。這段時期的物理被稱為高能區(qū)新物理，因?yàn)槌霎?dāng)前探索能力，被稱為高能物理的“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(jī)一樣忠實(shí)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(biāo)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(jī)會走出嬰兒宇宙的“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)鍵線索。

“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(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(shí)驗(yàn)重點(diǎn)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(yàn)，高能區(qū)新物理能標(biāo)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(dāng)前人類能觸及的最高能標(biāo)，即對撞機(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(diǎn)因此認(rèn)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)”。

在本研究中，蔡一夫團(tuán)隊(duì)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(dāng)前的宇宙學(xué)觀測能夠完美契合。

本研究通過構(gòu)造一個具體的模型范例，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(jī)盎然的新物理“綠洲”。

根據(jù)本研究預(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(jī)制有望在不久將來的宇宙微波背景輻射實(shí)驗(yàn)中得以檢驗(yàn)，例如國際的LiteBird小鳥太空望遠(yuǎn)鏡，以及中國的阿里原初引力波實(shí)驗(yàn)等。

圖2：左：參數(shù)共振重場的幅度增益（黑線）以及與傳統(tǒng)原初物質(zhì)擾動的比較（紅線）；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（黑線、紅線）與國際LiteBird小鳥太空望遠(yuǎn)鏡探測能力（綠線）的比較。

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