Тёмное шампанское: что рассказали пульсары о фазовом переходе
Недавние наблюдения пульсаров указали на возможный фон гравитационных волн. Авторы проверили, не возникает ли он при фазовом переходе в скрытом секторе (подобном Хиггсовскому механизму, но для темной материи). С помощью теории эффективного поля они выяснили: область параметров, совместимая с данными, лежит на границе применимости модели, а с учетом тепловых поправок предсказанный сигнал всё равно не согласуется с наблюдениями. Показано также, что асимметричное замерзание темной материи естественно объясняет ее современную плотность.
В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была похожа на переохлаждённую бутылку шампанского. Кроме обычной материи в ней прятался тёмный сектор — невидимое игристое «вино» из полей и частиц, кандидатов в тёмную материю. Около температуры в десятки МэВ это вино испытало фазовый переход первого рода — словно от резкого открытия бутылки, мгновенно родились и начали расти пузырьки новой фазы. Такой катаклизм должен был выплеснуть гравитационные волны — дрожь пространства-времени, разбежавшуюся по космосу. Спустя миллиарды лет её уловили бы пульсары — сверхточные вращающиеся нейтронные звёзды, чьи ритмичные импульсы открыла Джоселин Белл Бернелл.
Но как прикинуть громкость такого «чпока»? Вместо того чтобы следить за каждой микроскопической деталью, физики применили трёхмерную эффективную теорию поля — своеобразный макроскопический рецепт, который описывает фазовый переход через коллективные параметры, подобно тому как сомелье оценивает игристость по размеру и скорости пузырьков, не вглядываясь в каждую молекулу. Этот подход, отточенный в рамках Стандартной модели, позволил учесть высшие тепловые поправки и количественно оценить неопределённости вплоть до NNLO. В расчёты был включён и тяжёлый фермион — кандидат в тёмную материю, чья масса подавляет его участие при низких энергиях. Отдельно отследили энтропийные вклады обоих секторов, чтобы корректно пересчитать сигнал к сегодняшнему дню.
Результат оказался обескураживающим: для типичных параметров модели амплитуда гравитационных волн оказалась на порядки ниже той, что видят пульсарные массивы. Даже в сценариях с лавинообразным рождением пузырей предсказания расходятся с данными NANOGrav на уровне 2σ. Хуже того, область параметров, на которую кивают наблюдения, лежит на границе контролируемости расчётов — там высокотемпературное разложение начинает «трещать», и в игру вступают неучтённые эффекты. Выяснилась и любопытная деталь: обычная плазма почти не участвует в движении стенок пузырей, так что тёмный и видимый секторы гидродинамически разобщены — словно шампанское фонтанирует, не задевая соседний бокал.
Что это значит для наших представлений о Вселенной? Простейший тёмный абелев сектор не в силах объяснить наногерцовый гул. Это укрепляет позиции альтернативных источников — в первую очередь, сливающихся сверхмассивных чёрных дыр, но также и экзотики вроде космических струн. Однако сама работа не закрывает тему, а лишь показывает: нужны более точные расчёты и, вероятно, более сложные модели, где фазовый переход сильнее. Методика же, основанная на размерной редукции, становится эталоном, связывая физику Стандартной модели с космологией. В будущем — включение операторов высших размерностей и, возможно, непертурбативные решёточные симуляции, подобно тому как некогда Вера Рубин через наблюдения галактик подтвердила реальность тёмной материи. Первый намёк на гравитационные волны дал наземный интерферометр LIGO, за которым стоял Райнер Вайсс; теперь же арсенал пополнился космическими «часами», и каждое новое наблюдение приближает нас к пониманию тёмной симфонии мироздания.
🎯 Чтобы зафиксировать гравитационные волны от фазового перехода при 10 МэВ, пульсарные массивы измеряют отклонения времени прихода импульсов с точностью до десятков наносекунд. Это всё равно что заметить, как часы на Юпитере спешат на одну миллиардную долю секунды за год.