Hvordan den stærke kraft påvirker tyngdebølgebaggrunden

Gravitationsmæssigt er universet et støjende sted. En mængde gravitationsbølger fra ukendte kilder strømmer uforudsigeligt rundt i rummet, inklusive muligvis fra det tidlige univers.

Forskere har ledt efter tegn på disse tidlige kosmologiske gravitationsbølger, og et hold fysikere har nu vist, at sådanne bølger burde have en særskilt signatur på grund af kvarker og gluoners opførsel, når universet afkøles. Et sådant fund ville have en afgørende indflydelse på, hvilke modeller der bedst beskriver universet næsten umiddelbart efter Big Bang. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Forskere fandt først direkte beviser for gravitationsbølger i 2015 ved LIGO gravitationsbølgeinterferometre i USA. Disse er enestående (omend lille amplitude) bølger fra en bestemt kilde, såsom sammensmeltningen af ​​to sorte huller, som skyller forbi Jorden. Sådanne bølger får interferometrenes vinkelrette arme på 4 km til at ændre længde med minimale (men forskellige) mængder, forskellen detekteret af ændringer i det resulterende interferensmønster, når laserstråler bevæger sig frem og tilbage i detektorens arme.

Men der er også mindre gravitationsbølger, så mange, at de ligner støj. Forskere har flittigt ledt midt i denne støj efter den stokastiske gravitationsbølgebaggrund (stokastiske betyder tilfældigt bestemt, dvs. uforudsigelig). Men disse mindre gravitationsbølger er sværere at opdage, og forskere har vendt sig til millisekunders pulsararrays, hvor afstanden fra Jorden til en fjern pulsar er den effektive interferometerarmlængde.

Pulsarer - roterende neutronstjerner - sender strålingsstråler ud, nogle få i en retning, så strålen fejer forbi Jorden, som en stråle fra et roterende fyrtårn. Pulsarer har en ekstremt stabil omdrejningsperiode, og enhver måling af denne ur-timing ville blive subtilt ændret af de forbipasserende utallige mindre gravitationsbølger, der har bølgelængder på lysår.

Sidste år offentliggjorde NANOgrav-samarbejdet beviser for, at disse lavfrekvente, stokastiske gravitationsbølger eksisterer i rumtidsbaggrunden, ligesom andre grupper. Men hvad er deres kilde? Stammer baggrunden fra astrofysiske fænomener, såsom hundredtusindvis af sammensmeltede supermassive sorte huller, supernovaer og lignende?

Måske stammer baggrunden fra det tidlige univers, og dets bølger har spredt sig lige siden, beslægtet med den kosmiske mikrobølgebaggrund, der fylder hele rummet på grund af afkoblingen af ​​fotoner fra elektroner 380.000 år efter Big Bang. Eller noget andet?

At skelne scenarierne står over for udfordringer. Den nuværende forståelse af fysikken i supermassive sorte huller er endnu ikke udviklet nok til at drage sikre konklusioner. Og det kontinuerlige spektrum af baggrundsgravitationsbølger afhænger af de mikroskopiske detaljer i deres kilde og kræver detaljerede numeriske simuleringer.

Dette nye værk giver en måde at skelne tidlige universbølger fra dem fra andre kilder. Standardmodelfysik – de vellykkede teorier om de stærke, svage og elektromagnetiske interaktioner – bør efterlade et tydeligt fodaftryk på den målte baggrund, som er uafhængig af den nøjagtige valgte tidlige universmodel.

Da universet afkølede fra det første øjeblik af Big Bang, gik det igennem forskellige faser. En af de ovennævnte er afkoblingen af ​​fotoner efter 380.000 år, da universet blev køligt nok til, at elektroner kunne binde sig til protoner og danne brintatomer, så fotonerne pludselig var i drift.

Men der var en tidligere overgang, eller crossover, da frie kvarker og gluoner, som havde dannet et kvark-gluon-plasma, smeltede sammen til individuelle partikler af to eller flere kvarker, der var klistret sammen som et resultat af den stærke kraft, med gluoner fanget med dem.

Denne "kvantekromodynamik (QCD) crossover" forventes at være sket, da universet havde en temperatur på omkring en trillion Kelvin, omkring 10 ^-5 sekunder efter Big Bang. Det svarer til en energi på omkring 100 MeV. (QCD er teorien om den stærke kraft.)

Som det viser sig, er de nanohertz-frekvenser, der undersøges af pulsar-timing-arrays, af samme størrelsesorden som de observerbare lavfrekvente stokastiske gravitationsbølger i baggrunden. Overgangen skaber ikke bølgerne, men det pludselige fald i antallet af frie partikler ændrer den ligning, der styrer universets tilstand. Gravitationsbølgekilder før QCD crossover producerer et lavfrekvent signal, der påvirkes af denne ændring i tilstandsligningen. Forskere siger, at signalet nu kan søges efter i pulsar timing array data.

"Vi mener, at en nøjagtig karakterisering af gravitationsbølgebaggrunden for forskellige oprindelser er et afgørende skridt for at komme videre i denne udforskning," sagde Davide Racco, en medforfatter på papiret fra Stanford University's Institute for Theoretical Physics.

"Vi fremhæver en generisk og uundgåelig funktion for en bred vifte af primordiale fænomener, som vi viser sig at være en nyttig ingrediens til at skelne mellem forskellige kilder til baggrunden."

Et sådant resultat ville være en forbløffende indvirkning af kvantefysikkens forviklinger på universet, vi ser i dag, og igen demonstrere, hvordan partikelfysik og kosmologi mødes på samme grund.

Flere oplysninger: Gabriele Franciolini et al., Footprints of the QCD Crossover on Cosmological Gravitational Waves at Pulsar Timing Arrays, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.081001

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network