Pourraient-ils expliquer les signaux des ondes gravitationnelles ?

Une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physique explore la possibilité qu'une transition de phase de premier ordre fortement surfondue dans l'univers primitif pourrait expliquer les signaux d'ondes gravitationnelles observés par les réseaux de synchronisation de pulsars (PTA).

Les ondes gravitationnelles, proposées pour la première fois par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale, sont des ondulations dans la structure de l'espace-temps provoquées par des processus violents comme la fusion de trous noirs.

Ils ont été détectés pour la première fois par LIGO en 2016, confirmant les prédictions d'Einstein près d'un siècle plus tard. Les sources les plus courantes de trous noirs gravitationnels sont les trous noirs en fusion, les étoiles à neutrons en rotation et les supernovae.

Récemment, le NANOGrav, ou l'Observatoire nord-américain Nanohertz pour les ondes gravitationnelles, a détecté la présence d'un fond d'ondes gravitationnelles stochastiques (SGWB) provenant de réseaux de synchronisation de pulsars (PTA).

Les SGWB sont différents car ils sont isotropes, ce qui signifie qu'ils se propagent également dans toutes les directions, ce qui indique que leur source est répartie uniformément dans tout l'univers.

Cette découverte a incité les scientifiques du PRL étude pour explorer l'origine de ces ondes, qui pourraient provenir de transitions de phase de premier ordre (FOPT) dans l'univers primitif.

Phys.org s'est entretenu avec les co-auteurs de l'étude, le professeur Yongcheng Wu, le professeur Chih-Ting Lu, le professeur Peter Athron et le professeur Lei W de l'Université normale de Nanjing, pour en savoir plus sur leurs travaux.

“Notre sonde dans l'univers primitif est limitée à la période qui a suivi la formation du CMB (fond diffus cosmologique). Bien que nous ayons quelques indices indirects sur ce qui s'est passé avant le CMB, les ondes gravitationnelles sont actuellement la seule méthode pour sonder le tout premier univers.” » dit Yongcheng.

Le professeur Lei a ajouté : « Au cours des dernières années, le FOPT en surfusion a été largement considéré comme une source possible de SGWB. »

“Un nouveau signal observé par les PTA pourrait en être la preuve, une possibilité très excitante”, a déclaré le professeur Athron.

Le professeur Chih-Ting a déclaré qu'il souhaitait comprendre le lien entre le champ de Higgs et le boson de Higgs et son lien avec le mécanisme de rupture de symétrie électrofaible. “La liaison des signaux d'ondes gravitationnelles de différentes fréquences avec des transitions de phase cosmiques m'a ouvert une autre fenêtre pour étudier cela”, a-t-il déclaré.

Transitions de phase du premier ordre

Les FOPT sont des transitions de phase dans lesquelles un système passe d'une phase à l'autre de manière brusque ou discontinue. Un exemple que nous voyons dans notre vie quotidienne est le gel de l’eau.

“L'eau peut rester à l'état liquide même si la température est inférieure au point de congélation. Ensuite, avec une petite perturbation (changement), elle se transforme soudainement en glace. La signature clé est que le système reste dans cette phase pendant une longue période. en dessous de la température de transition”, a expliqué le professeur Yongcheng.

La force électrofaible est une description unifiée de deux des quatre forces fondamentales de la nature : la force électromagnétique et la force nucléaire faible.

“Nous savons que dans notre univers, un changement radical – la rupture de la symétrie électrofaible qui prédit toutes les interactions nucléaires faibles – génère les masses de toutes les particules fondamentales que nous avons observées aujourd'hui”, a déclaré le professeur Athron.

Cela a conduit à la division de la force électrofaible en forces électromagnétiques et faibles via le champ de Higgs (qui donne leur masse à toutes les particules). Le processus par lequel cela se produit est la forte transition de phase électrofaible du premier ordre.

Un FOPT surfondu est un FOPT dans lequel la chute de température pendant la transition de phase est soudaine. Les chercheurs ont voulu comprendre si un tel FOPT pouvait être à l'origine du SGWB observé par la collaboration NANOGrav.

Mécanisme potentiel pour la génération de SGWB

L’idée derrière cette théorie est que l’univers primitif était dans un état de température élevée connu sous le nom de faux état de vide, ce qui signifie que son énergie n’est pas la plus basse possible.

À mesure que l’univers se dilate et se refroidit, l’énergie potentielle diminue. En dessous d’une température critique, le faux vide devient instable.

À cette température, les fluctuations quantiques (mouvements aléatoires) peuvent initier la formation de véritables états de vide, qui sont les états d'énergie les plus faibles. Cela se produit grâce au processus de nucléation (formation) de bulles.

Les bulles représentent les régions où le FOPT du faux vide au vrai vide s'est produit.

Une fois nucléées, ces bulles de véritable vide grandissent et se dilatent. Ils peuvent entrer en collision et fusionner, pour finalement s’infiltrer dans l’espace. La percolation fait référence à la formation d'un réseau connecté de véritables régions de vide.

La transition de phase est terminée lorsqu’une fraction suffisante de l’univers est dans le véritable état de vide. Cet achèvement nécessite généralement que des bulles s'infiltrent dans une partie importante de l'univers.

Au cours de ce processus, les collisions et la dynamique des bulles en expansion génèrent du SGWB, observé par la collaboration NANOGrav.

Modifier le potentiel de Higgs

Le travail des chercheurs a commencé par la construction d'un modèle théorique pour étudier les FOPT surfondus et la possibilité de génération de SGWB.

Le professeur Lei a expliqué : « Dans le cas des FOPT surfondus, les modèles peuvent prédire les conditions dans lesquelles de telles transitions pourraient se produire, y compris la température à laquelle la transition de phase se produit et les caractéristiques du processus de transition. »

Les chercheurs ont commencé par modifier le potentiel de Higgs, ce qui explique comment le champ de Higgs interagit avec lui-même et avec d'autres particules fondamentales.

Ils ont ajouté un terme cubique pour faciliter la dynamique du FOPT en surfusion dans l'univers primitif.

Ici, ils définissent quatre paramètres clés pour étudier les défis liés à l’ajustement du signal nano Hz (nHz) (détecté par la collaboration NANOGrav) avec ce potentiel cubique :

1. La température de percolation est la température à laquelle les bulles du véritable état de vide se nucléent et se développent suffisamment pour former un réseau connecté dans tout l'univers.
2. La température d'achèvement est la température à laquelle la transition de phase est complètement terminée, l'univers entier passant au véritable état de vide.
3. Le point de référence 1 représente un scénario avec un degré significatif de surfusion tout en satisfaisant à la fois les critères de percolation et d’achèvement.
4. Le point de référence 2 représente un scénario dans lequel une surfusion plus forte a été obtenue avec une température de percolation nominale d'environ 100 MeV mais ne répond pas à des critères de percolation réalistes et n'achève pas la transition.

Les deux mesures de température sont essentielles pour comprendre la dynamique et le timing de la transition de phase. Ils garantissent que la transition est complète et complète, ce qui est nécessaire pour générer un signal d’onde gravitationnelle.

Les points de référence, en revanche, mettent en lumière les défis rencontrés par un FOPT surfondu pour générer du SGWB.

Limites du modèle

Les chercheurs ont identifié deux défis principaux qui excluent le modèle FOPT surfondu comme explication du signal nHz détecté par la collaboration NANOGrav.

Le premier défi est la percolation et l’achèvement du FOPT surfondu. Lorsque la température de l’univers descend en dessous d’une valeur critique, la transition de phase ne se produit pas.

En effet, l’énergie nécessaire à la nucléation et à la croissance des bulles de la nouvelle phase (vide véritable) est faible.

“Seules quelques bulles se forment et ne grandissent pas assez vite pour remplir l'univers”, a expliqué le professeur Athron.

Par conséquent, l’achèvement de la transition de phase, où l’univers entier passe à la nouvelle phase, devient moins probable.

Le deuxième défi est celui du réchauffage. Même si l’on considère un scénario dans lequel l’achèvement est atteint d’une manière ou d’une autre, l’énergie libérée pendant la transition de phase libère de la chaleur dans l’univers. Ce processus augmente la température de l'univers, un processus appelé réchauffage.

“Cela rend difficile le maintien des conditions nécessaires à la production du SGWB”, a ajouté le professeur Lei.

Les ondes gravitationnelles produites dans ce scénario n’auront pas la même fréquence que celles observées par les PTA, généralement de l’ordre du nHz.

Conclusion et travaux futurs

Le FOPT surfondu comme explication du SGWB peut aider à échapper aux contraintes liées aux modifications du modèle standard et à connecter le signal nHz à une nouvelle physique à plus grande échelle, telle que celles impliquées dans la transition de phase électrofaible ou au-delà.

Cependant, comme les chercheurs l’ont montré, les défis suggèrent que la FOPT en surfusion pourrait ne pas être la source du SGWB observé.

Les chercheurs envisagent d’explorer d’autres FOPT qui pourraient expliquer le signal observé.

“Si le secteur sombre inconnu est capable de générer des transitions de phase chirales similaires à celles de la chromodynamique quantique, produisant ainsi davantage de signaux d'ondes gravitationnelles nHz, il pourrait naturellement expliquer ces signaux d'ondes gravitationnelles à basse fréquence”, a expliqué le professeur Chih-Ting.

Le professeur Yongcheng a ajouté : « La transition de phase en surfusion peut déclencher la formation de trous noirs primordiaux, qui peuvent faire partie de la composante de matière noire de notre univers. Le processus violent de FOPT en surfusion et l'énergie beaucoup plus élevée libérée au cours de la procédure peuvent également fournir un environnement pour la production de particules, ce qui est beaucoup plus important si nous envisageons la production de matière noire. »

Le professeur Lei a également mentionné l’exploration d’implications cosmologiques plus larges, telles que les binaires de trous noirs supermassifs.

Les chercheurs prévoient également de publier les logiciels et les calculs qu'ils ont développés dans le cadre de ces travaux.

“Nous prévoyons de publier un logiciel public avec un calcul complet du modèle de physique des particules aux spectres d'ondes gravitationnelles qui soit à la pointe de la technologie et aussi précis que possible aujourd'hui, afin que d'autres équipes puissent facilement appliquer le même niveau de rigueur que nous l'avons fait”, a conclu le professeur Athron.

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