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黑洞相撞會發生什麼?希格斯場誘導摩擦發光,像極了一個太極圖!
2023/07/31

【前言】

在大型強子對撞機中發現的希格斯玻色子是對標準模型(SM)的證實,它為了解電弱(EW)真空的性質提供了一個令人興奮的機會,而且已經證明存在可用的低能量真空狀態,電子戰真空最終可以衰減到該狀態。

其實這種可能性早就知道了,希格斯勢似乎對實驗輸入很敏感,特別是對希格斯玻色子和頂夸克的物理品質以及SM以外的物理學。

最近對希格斯玻色子和頂夸克品質的測量得出以下結論:ℎ=125.25±0.17=125.25±0.17GeV,=172.76±0.30=172.76±0.30GeV 。

意味著我們的宇宙處于不穩定的SM真空狀態,因此,如果SM在大于大約的能量下有效能量為10121012GeV,電子戰真空是亞穩態的,未來將過渡到較低的能量狀態。

轉變最初發生在局部,成核變成一個真正真空的小氣泡,然后氣泡開始高速膨脹,迅速達到幾乎光速,并將亞穩定的真空轉化為真正的真空。

雖然我們存在的事實證明,真空衰變率極低,但在早期宇宙中并不一定如此。

例如暴脹期間的高哈勃速率和之后的高溫可能會顯著增加該速率,衰變率也可能對新物理學的存在非常敏感。

人們可能會問,除了基于人擇論證之外,是否有另一種方法可以使用電子戰真空的亞穩定性來研究極端條件或新物理學對宇宙學和天體物理學的影響。

也就是說,是否有可能想到一些物理條件,在這些條件下,真空衰變可能發生并表現為一種潛在的可觀察現象,同時不會對宇宙目前亞穩定狀態的存在造成災難性后果。

【BBH的合并】

通過引入更高維算子來擴展SM,或者通過希格斯場與曲率的直接非最小耦合來擴展SM對時空曲率的潛在依賴性,小黑洞(BH)的存在可以催化真空衰變并使其明顯更快。

所以我們仍然以電子戰真空狀態觀察宇宙的事實使我們能夠對宇宙學歷史施加約束,這包括諸如熱溫度和膨脹尺度等因素,以及超出SM參數的因素,例如希格斯場與時空曲率或更高維算子之間的耦合常數。

這個想法是創造物理條件,將電子戰真空在一定時間段內在有限的空間體積內處于高衰減率狀態。由于對希格斯勢的引力誘導校正,可以在天體物理起源BH的視界附近實現所需的條件。

特別是勢壘的位置和高度,它「篩選」了希格斯勢的介穩最小值,可以如此顯著地改變,以至于真空在在高于BH地平線一定距離內溫度下已經變得不穩定。

由于不穩定性意味著希格斯新相泡的高成核速率,因此浸入電子戰真空中的BH被一個薄殼包圍,該薄殼由由SM真空包圍的成核新相泡代表的「保齡球物質」組成。

盡管成核在殼層厚度內永久進行,但氣泡會立即落在地平線下,因此單個BH的外部觀察者始終保持EW亞穩態。

如果我們考慮二元黑洞(BBH)合并,其中BH圍繞其共同中心,情況可能會有所不同。在合并中,BHs向內螺旋,以引力輻射的形式失去軌道能量,因此它們的視界彼此非常接近,最后合并形成一個BH。

就在聚結之前,當組分的地平線彼此靠近時,即在殼層厚度數量級的距離處,可以防止有核氣泡落在其播種視界下,被BBH合并的其他組分的引力勢拉出。

因此在「夾在」彼此接近的視界之間的間隙中的某個體積內,可以發生電子戰真空轉換到新階段的過程的時間穩定。

在這個體積內,在其存在的時間內,成核氣泡會膨脹、碰撞甚至滲透。其中一些碰撞可能導致微觀黑洞的形成(μBHs)通過中所述的機制。也就是說,當三個氣泡碰撞時,其部分壁中的表面能可以聚焦到其密度趨于無窮大的程度,這將三重碰撞點轉換為BH 。

并且僅兩個氣泡碰撞后留下的非平凡真空結構的坍塌也可能導致BH的形成,這種從合并中「分裂」的群眾μBH取決于碰撞氣泡的大小及其壁張力,碰撞處氣泡的大小主要由穩定的SM真空衰減過程體積中產生的相變決定。

壁張力應取決于將亞穩態電子戰真空與真實真空狀態分開的勢壘位置的修改細節,并且應由本質上不超過電子戰的能量尺度驅動,形成的μBHs將開始蒸發,在所有SM物種中發出熱霍金輻射。

最后合并也會導致最終BH的單一地平線的形成,在合并水平之間的間隙中「夾在」體積中產生的真空不穩定條件被打破,因此氣泡成核的穩定條件被破壞。

新真空相的所有殘余物和尚未蒸發的小μBH應該屬于最終的BH,這可確保外部觀察者將保持電子戰真空狀態。

霍金輻射發射的持續時間μBH不能超過LIGO和Virgo發現的BBH合并引力波信號的最后一部分的典型時間尺度,即不到一秒,人們可能會認為,霍金輻射的能量釋放可以達到短伽馬射線暴(SGRB)測量的各向同性能量當量水平。

所以天基伽馬射線暴監測器和望遠鏡可以觀測到爆發的電磁部分,其他SM模型粒子的霍金髮射,也許超越SM物種,可以在IceCube中產生中微子信號。

霍金輻射電磁成分的極高能光譜部分也可能在超高能大氣切倫科夫設施中產生特征,上述機制類似于所謂的摩擦發光,是指材料在受到機械刺激時可以發光的現象,例如摩擦,研磨,沖擊,拉伸和壓縮。

在這里通過某種程度的類比,真空「保齡球物質」,作為外殼的「材料」,包含天體物理BH的視界,在BBH合并中在兩個接近的視界之間拉伸,最終導致可檢測的霍金輻射的發射。

【形成μ不穩定真空】

為了進一步說明引言中概述的現象的預期多信使表現,提供真空衰變過程引力校正潛在機制的啟發式草圖是有幫助的。

對位于地平線附近的成核位點的希格斯相變的更詳細描述將推遲到后續章節,希格斯場的成核位點位于BH中心時,一階相變速率在進行了研究。

在這些研究中,得出的結論是,希格斯真實真空形成速率可以大大提高,以至于即使過去存在的最小品質(≪1 g)的單個BH也已經可以破壞當前的SM亞穩真空狀態,任何壽命小于宇宙年齡的原始BH都可能成為對應于希格斯真空相變的致命催化的來源。

在這里,我們推測希格斯相變速率也可能在BH視界附近顯著增加,而成核位點位于BH之外,進行了一些研究這種可能性的努力。

啟發式思維,人們假設成核位點離BH的地平線越近,相變速率就越高,因此形成真正希格斯真空氣泡的可能性就越高。

同時人們可能會期望任何品質的BH,即使是天體物理起源的BH,也可以在其視界附近產生成核點。

在這種情況下,由于具有真正真空氣泡的成核位點迅速落在地平線以下,很明顯,希格斯真空相變的致命催化作用不可能發生。

氣泡形成機率由下式驅動經驗[−4]經驗[−4]哪里44代表沿球形氣泡溶液的隧道軌跡計算的四維歐幾里得作用 ,一般來說,BH附近的重力校正效應取決于到地平線的距離,因此4可以表示為有效的行動4()4,

氣泡成核位點的位置越靠近地平線,從亞穩態真空狀態隧穿的機率就越高v=246246GeV到真正的希格斯真空。

如果離開地平線,中的指數抑制會減慢氣泡成核速率,這樣如果防止它們掉入BH,它們在開始碰撞之前有更多的時間長大。

這種效應可能發生在由大約LIGO-Virgo尺度的BH組成的BBH合并中,就在它們的視界相互接觸之前。

事實上,在BBH組件的視界之間,在它們足夠接近的相互接近下,人們可能會期望立即形成具有有效零重力的體積,因此在短時間內,不穩定的真空有點「夾在」組件的視界之間。

在這些條件下,氣泡可能有足夠的時間長大并最終滲透,在墻壁碰撞中終止它們的存在。

在三重氣泡碰撞中,碰撞壁各部分的表面能可以聚焦在它們所處的史瓦西半徑下,從而導致形成μ。

形成μBHs也可以通過在只有兩個氣泡的壁碰撞中產生的非平凡真空配置的演變來實現,在相當有限的體積內滲透的條件下,這兩種情況都是可行的。

正在形成,μBHs在有效溫度下通過霍金輻射的熱發射與黑體光譜迅速蒸發,黑體光譜隨著品質的增加而增加μBH 降低。

這種「分裂」的群眾μBH由碰撞時的氣泡大小和真空壁張力來定義,壁張力主要由修正希格斯勢的參數定義。

即由將亞穩態電子戰真空與真實真空狀態和希格斯自相互作用常數分開的勢壘最大值的位置來定義,在屏障處,希格斯玻色子和頂品質的測量以及SM物理重整化群校正很好地定義了未修改勢的兩個參數

【黑洞相撞】

當兩個黑洞相互旋轉并最終相撞時,它們會發出引力波--空間和時間的漣漪,現在可以用地球上極其敏感的儀器來探測。

由于黑洞和黑洞合并是完全黑暗的,這些事件對于天文學家使用的望遠鏡和其他光學探測儀器來說是看不見的。

然而理論家們已經想出了黑洞合并如何通過引起附近物質的輻射而產生光信號的想法。

現在使用位于圣地亞哥附近的帕洛瑪天文台的加州理工學院茲威基瞬態設施(ZTF)的科學家可能已經發現了可能是這樣一種情況,如果得到證實,這將是第一個來自一對碰撞的黑洞的已知光耀。

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