Космологический фазовый переход
Космологический фазовый переход — это физический процесс, при котором общее состояние материи меняется во всей Вселенной. Успех модели Большого взрыва побудил исследователей предположить возможные космологические фазовые переходы, происходящие в очень ранней Вселенной, когда она была намного горячее и плотнее, чем сегодня. [1] [2]
Любой космологический фазовый переход мог оставить сигналы, которые можно наблюдать сегодня, даже если он произошел в первые моменты после Большого взрыва, когда Вселенная была непрозрачна для света . [3]
Космологические фазовые переходы первого рода
[ редактировать ]Фазовые переходы можно классифицировать по их порядку . Переходы первого рода происходят посредством зарождения пузырьков и высвобождают скрытое тепло по мере расширения пузырьков.
Поскольку Вселенная остыла после горячего Большого взрыва, такой фазовый переход должен был высвободить огромное количество энергии, как в виде тепла, так и в виде кинетической энергии растущих пузырей. При сильном фазовом переходе первого рода стенки пузырька могут даже расти со скоростью, близкой к скорости света . [4] Это, в свою очередь, приведет к возникновению стохастического фона гравитационных волн . [2] [5] Такие эксперименты, как NANOGrav и LISA, могут быть чувствительны к этому сигналу. [6] [7]
Ниже показаны два снимка моделирования эволюции космологического фазового перехода первого рода. [8] Пузыри сначала зарождаются, затем расширяются и сталкиваются, в конечном итоге переводя Вселенную из одной фазы в другую.
Более ранние стадии: зарождаются и расширяются первые пузырьки.
Более поздние стадии: перекрывающиеся столкновения пузырьков.
Примеры
[ редактировать ]Стандартная модель физики элементарных частиц содержит три фундаментальных взаимодействия : электромагнитное взаимодействие , слабое взаимодействие и сильное взаимодействие . Вскоре после Большого взрыва чрезвычайно высокие температуры могли изменить характер этих сил. Хотя сегодня эти три силы действуют по-разному, было высказано предположение, что они могли объединиться при высоких температурах ранней Вселенной. [9] [10]
Фазовый переход сильной силы
[ редактировать ]Сегодня сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны в явлении, известном как ограничение цвета . Однако при достаточно высоких температурах протоны и нейтроны диссоциируют на свободные кварки. Фазовый переход в сильном взаимодействии отмечает конец эпохи кварков . Исследования этого перехода на основе решеточной КХД показали, что он мог произойти при температуре примерно 155 МэВ и был бы плавным кроссоверным переходом. [11]
Этот вывод предполагает простейший сценарий в момент перехода, а переходы первого или второго рода возможны при наличии кваркового, барионного или нейтринного химического потенциала или сильных магнитных полей. [12] [13] [14] Различные возможные типы фазовых переходов суммируются на фазовой диаграмме сильных сил .
Электрослабый фазовый переход
[ редактировать ]Электрослабый фазовый переход отмечает момент, когда механизм Хиггса впервые активировался, заканчивая эпоху электрослабости . [15] [16] Как и в случае с сильным взаимодействием, исследования электрослабой модели на решетке показали, что переход представляет собой плавный кроссовер, происходящий при 159,5±1,5 ГэВ . [17]
Вывод о том, что переход является кроссовером, предполагает минимальный сценарий и модифицируется наличием дополнительных полей или частиц. Модели физики элементарных частиц, которые объясняют темную материю или приводят к успешному бариогенезу, могут предсказать электрослабый фазовый переход сильного первого рода. [18]
Фазовые переходы за пределами Стандартной модели
[ редактировать ]Если бы три силы Стандартной модели объединились в Теорию Великого Объединения , тогда произошел бы космологический фазовый переход при еще более высоких температурах, соответствующий моменту, когда силы впервые разделились. [9] [10] Космологические фазовые переходы также могли происходить в темном или скрытом секторе , среди частиц и полей, которые очень слабо связаны с видимой материей. [19]
См. также
[ редактировать ]
- Хронология ранней Вселенной
- Хронология Вселенной
- Фазовый переход
- Физика за пределами Стандартной модели
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гут, Алан Х.; Тай, SHH (1980). «Фазовые переходы и рождение магнитных монополей в очень ранней Вселенной». Физ. Преподобный Летт . 44 (10): 631–635. Бибкод : 1980PhRvL..44..631G . doi : 10.1103/PhysRevLett.44.631 . ОСТИ 1447535 .
- ^ Перейти обратно: а б Виттен, Эдвард (1984). «Космическое разделение фаз». Физ. Преподобный Д. 30 (3): 272–285. Бибкод : 1981NuPhB.177..477W . дои : 10.1016/0550-3213(81)90182-6 .
- ^ Киббл, TWB (1980). «Некоторые последствия космологического фазового перехода». Физ. Представитель . 67 (1): 183–199. Бибкод : 1980PhR....67..183K . дои : 10.1016/0370-1573(80)90091-5 .
- ^ Мур, Гай Д.; Прокопец, Томислав (1995). «Скорость стенки пузыря при электрослабом фазовом переходе первого рода». Физ. Преподобный Летт . 75 (5): 777–780. arXiv : hep-ph/9503296 . Бибкод : 1995PhRvL..75..777M . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.777 . ПМИД 10060116 . S2CID 17239930 .
- ^ Хоган, CJ (1986). «Гравитационное излучение от космологических фазовых переходов» . Пн. Нет. Р. Астрон. Соц . 218 (4): 629–636. дои : 10.1093/mnras/218.4.629 . Проверено 9 августа 2023 г.
- ^ НАНОГрав (2023). «Набор данных NANOGrav за 15 лет: поиск сигналов новой физики» . Астрофиз. Дж. Летт . 951 (1): Л11. arXiv : 2306.16219 . Бибкод : 2023ApJ...951L..11A . дои : 10.3847/2041-8213/acdc91 .
- ^ Рабочая группа LISA по космологии (2016). «Наука с космическим интерферометром eLISA. II: Гравитационные волны от космологических фазовых переходов». JCAP . 04 (4): 001. arXiv : 1512.06239 . Бибкод : 2016JCAP...04..001C . дои : 10.1088/1475-7516/2016/04/001 . S2CID 53333014 .
- ^ Вейр, Дэвид (2018). «Гравитационные волны от электрослабого фазового перехода первого рода: краткий обзор» . Филос. Пер. Р. Сок. Лонд. А. 376 (2114): 20170126.arXiv : 1705.01783 . Бибкод : 2018RSPTA.37670126W . дои : 10.1098/rsta.2017.0126 . ПМЦ 5784032 . ПМИД 29358351 .
- ^ Перейти обратно: а б Георгий, Х.; Глэшоу, СЛ (1974). «Единство всех элементарных сил». Физ. Преподобный Летт . 32 : 438–441. дои : 10.1103/PhysRevLett.32.438 .
- ^ Перейти обратно: а б Вайнберг, Стивен (1974). «Калибровка и глобальные симметрии при высокой температуре». Физ. Преподобный Д. 9 (12): 3357–3378. Бибкод : 1974PhRvD...9.3357W . дои : 10.1103/PhysRevD.9.3357 .
- ^ Аоки, Ю.; Эндроди, Г.; Фодор, З.; Кац, С.Д.; Сабо, К.К. (2006). «Порядок перехода квантовой хромодинамики, предсказанный стандартной моделью физики элементарных частиц». Природа . 443 (7112): 675–678. arXiv : hep-lat/0611014 . Бибкод : 2006Natur.443..675A . дои : 10.1038/nature05120 . ПМИД 17035999 . S2CID 261693972 .
- ^ Бекель, Тиллман; Шеттлер, Саймон; Шаффнер-Билич, Юрген (2011). «Возвращение к космологическому фазовому переходу КХД». Прог. Часть. Нукл. Физ . 66 (2): 266–270. arXiv : 1012.3342 . Бибкод : 2011ПрПНП..66..266Б . дои : 10.1016/j.ppnp.2011.01.017 . S2CID 118745752 .
- ^ Шварц, Доминик Дж.; Стьюк, Майк (2009). «Лептонная асимметрия и космический переход КХД». JCAP . 2009 (11): 025. arXiv : 0906.3434 . Бибкод : 2009JCAP...11..025S . дои : 10.1088/1475-7516/2009/11/025 . S2CID 250761613 .
- ^ Цао, Гаогин (2023). «Переход КХД первого рода в первичном магнитном поле». Физ. Преподобный Д. 107 (1): 014021. arXiv : 2210.09794 . Бибкод : 2023PhRvD.107a4021C . дои : 10.1103/PhysRevD.107.014021 . S2CID 252967896 .
- ^ Гут, Алан Х.; Вайнберг, Эрик Дж. (1980). «Космологическая нижняя граница массы бозона Хиггса». Физ. Преподобный Летт . 45 (14): 1131–1134. Бибкод : 1980PhRvL..45.1131G . дои : 10.1103/PhysRevLett.45.1131 . ОСТИ 1445632 .
- ^ Виттен, Эдвард (1981). «Космологические последствия легкого бозона Хиггса». Нукл. Физ. Б. 177 (3): 477–488. Бибкод : 1981NuPhB.177..477W . дои : 10.1016/0550-3213(81)90182-6 .
- ^ Д'Онофрио, Микела; Руммукайнен, Кари (2016). «Стандартная модель кроссовера на решетке». Физ. Преподобный Д. 93 (2): 025003. arXiv : 1508.07161 . Бибкод : 2016PhRvD..93b5003D . дои : 10.1103/PhysRevD.93.025003 . hdl : 10138/159845 . S2CID 119261776 .
- ^ Клайн, Джеймс; Кайнулайнен, Киммо (2013). «Электрослабый бариогенез и темная материя из синглета Хиггса». JCAP . 01 (1): 012. arXiv : 1210.4196 . Бибкод : 2013JCAP...01..012C . дои : 10.1088/1475-7516/2013/01/012 . S2CID 250739526 .
- ^ Шваллер, Педро (2015). «Гравитационные волны от темного фазового перехода» . Физ. Преподобный Летт . 115 (18): 181101. arXiv : 1504.07263 . Бибкод : 2015PhRvL.115r1101S . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.181101 . ПМИД 26565451 .
