2012年，随着希格斯玻色子在LHC上被发现，粒子物理标准模型被认为是能够成功描述除了引力以外的全部相互作用以及全部基本粒子的理论。然而，暗物质，正反物质不对称性和中微子振荡等科学发现，暗示了粒子物理标准模型的不完备性。因为宇宙相变的粒子物理本质，人们可以通过测量一阶相变的时间、强度和快慢，对超出粒子物理标准模型的新物理参数进行搜寻或者限制。
最近，中国科学院理论物理研究所舒菁研究员及课题组成员博士毕业生薛潇（现德国汉堡大学博士后），中国科学院紫金山天文台袁强研究员，重庆大学边立功副教授，澳大利亚莫纳什大学朱兴江研究员（现北京师范大学珠海分校的研究员），以及位于澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵列实验组（由George Hobbs 和Richard N. Manchester领导），通过在帕克斯脉冲星计时阵列中搜寻 “分段幂律”形态的引力波能谱，对宇宙一阶相变的参数进行限制。“分段幂律”的引力波能谱是宇宙一阶相变的重要特征，形态如图1红色虚线所示。
图1、红色曲线是宇宙一阶相变“分段幂律”形态的引力波能谱。黑色曲线是帕克斯脉冲星计时阵列对于自由引力波谱的95%贝叶斯上限。
该工作通过计算贝叶斯因子，得出在当前的帕克斯脉冲星计时阵列数据中不存在一阶相变引力波的“分段幂律”信号，相应的贝叶斯因子呈现在表格1中。该工作第一次对兆电子伏区间一阶相变的时间、强度和快慢进行参数限制，结果呈现在图2 中。
表格1、不同引力波模型贝叶斯因子。其中，H2,H3,H4是一阶相变“分段幂律”引力波谱的模型。
图2、通过帕克斯脉冲星计时阵列对一阶相变的时间（x轴），快慢（y轴）进行限制的结果。相变的强度\alpha固定在0.2, 0.5 和1.0上。
脉冲星计时阵列观测并记录遍布银河的数十颗毫秒级脉冲星发出的脉冲信号。由于毫秒级脉冲星的脉冲信号呈现极度稳定的周期性，人们通过记录脉冲到达时间以极高的精度探测时空背景的扰动。在脉冲星计时阵列中，计时数据的空间关联性是引力波背景存在的决定性证据。2020年，北美纳赫兹引力波天文台发现在脉冲星计时数据中存在十分强的时间关联信号，2021年帕克斯脉冲星计时阵列的数据中也发现了相应强度的时间关联信号。但是，空间关联性在两组数据中均缺乏，因此这一信号并不具有引力波背景的特征。北美纳赫兹引力波天文台和帕克斯脉冲星计时阵列均有10年以上的观测历史，二者的部分数据包含在国际脉冲星计时阵列中。
该研究成果近日发表在Phys. Rev. Lett. 127 (2021) 251303上，并得到了编辑推荐(Editor’s Suggestion)。美国物理学会(APS)为上述研究成果在杂志《Physics》上专题报道对公众加以解读。该项研究得到了国家自然科学基金重大项目、****基金、理论物理专款“彭桓武理论物理创新研究中心”，中科院战略先导科技专项(B)和中科院青年科学家团队计划的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.251303
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