Een baanbrekend oeuvre onder leiding van natuurkundigen van de Monash University heeft een nieuwe weg geopend voor het begrijpen van de fundamentele fysica van het universum.

Het werk, opgenomen in een internationale recensie gepubliceerd in Progress in Particle and Nuclear Physics , volgt bijna tien jaar werk van wetenschappers aan de School of Physics and Astronomy van de Faculteit Wetenschappen van Monash University.

Zwaartekrachtsgolven zijn pas onlangs voor het eerst gedetecteerd, wat een opwindende kans biedt om de mysteries van de deeltjesfysica te doorgronden via eerste-orde faseovergangen (FOPT's) in de vroege kosmos.

FOPT's, die optreden wanneer nieuwe fundamentele symmetrieën uiteenvallen naar het standaardmodel, spelen een cruciale rol bij het oplossen van fundamentele puzzels zoals het probleem van kosmische materie, antimaterie, asymmetrie of de problemen van de donkere sector, inclusief donkere materie en duistere krachten.

Onderzoekers, waaronder hoofdrecensieauteur Ph.D. kandidaat Lachlan Morris, zijn begonnen aan een reis om het proces te beoordelen dat leidt van deeltjesfysica-modellen tot waarneembare GW's, waarbij de ingewikkelde stappen worden benadrukt.

"Ons werk dient als een uitgebreide gids voor deeltjesfysici om het opwindende rijk van de GW-fenomenologie te verkennen", aldus Morris. "Het begrijpen van FOPT's is cruciaal voor het ontrafelen van de mysteries van ons universum."

De recensie beschrijft de ingewikkelde reis van deeltjesfysica-modellen naar waarneembare GW's veroorzaakt door vacuümverval tijdens FOPT's.

De recensie, mede geschreven door professor Csaba Balazs, werpt licht op het complexe proces en behandelt stappen als het opbouwen van effectieve potentiëlen, het analyseren van transitiesnelheden en het voorspellen van GW-spectra.

"We staan ​​aan de vooravond van een nieuw tijdperk in de zwaartekrachtgolfastronomie", zegt professor Balazs. "De toekomst biedt een enorm potentieel voor detectoren op de grond en in de ruimte om onzichtbare fenomenen te onthullen, die mogelijk afkomstig zijn van FOPT's."

De recensie schetst het pad van een deeltjesfysica-model naar GW's, dat veel gespecialiseerde onderdelen bevat, waaronder:

• het opbouwen van een effectief potentieel bij eindige temperatuur in een deeltjesfysica-model en het controleren op FOPT's
• computertransitiesnelheden
• het analyseren van de dynamiek van bellen van echt vacuüm die uitdijen in een thermisch plasma
• een overgang karakteriseren met behulp van thermische parameters
• het maken van voorspellingen voor GW-spectra met behulp van de nieuwste simulaties en theoretische resultaten en het overwegen van de detecteerbaarheid van voorspelde spectra bij toekomstige GW-detectoren.

Voor elke stap benadrukt de review de subtiliteiten, voor- en nadelen van verschillende methoden, en worden de state-of-the-art benaderingen beoordeeld die beschikbaar zijn in de literatuur.

"Dit biedt alles wat een deeltjesfysicus nodig heeft om de GW-fenomenologie te gaan verkennen", aldus professor Balazs.

“Terwijl we bijna een decennium sinds de revolutionaire ontdekking van zwaartekrachtsgolven herdenken, heeft het tijdperk van op de grond gebaseerde detectoren ons begrip van de kosmos getransformeerd. Het komende tijdperk van in de ruimte gestationeerde detectoren belooft echter nog meer buitengewone ontdekkingen, die mogelijk de geheimen ontsluiten van nieuwe natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel."

Meer informatie: Peter Athron et al, Kosmologische faseovergangen:van verstorende deeltjesfysica tot zwaartekrachtgolven, Vooruitgang in deeltjes- en kernfysica (2023). DOI:10.1016/j.ppnp.2023.104094

Aangeboden door Monash University