近期，中国科学院紫金山天文台科研团队利用脉冲星计时阵列的最新结果和弱引力透镜观测对镜像希格斯模型进行了研究。结果表明，该模型在特定参数空间下可以合理的解释纳赫兹随机引力波背景信号，还可以同时解决早期与晚期宇宙中测得的哈勃常数和S₈常数的不一致问题。研究成果以“Mirror QCD phase transition as the origin of the nanohertz Stochastic Gravitational-Wave Background”为题发表在科学通报（Science Bulletin）上。

2023年6月29日，NANOGrav、PPTA、EPTA和CPTA等多个脉冲星计时阵列合作组相继宣布发现纳赫兹随机引力波背景信号。这一发现标志着人类首次获得了超低频引力波的关键证据，引起了全球物理学家的广泛关注。这一信号可能起源于早期宇宙中的非标准暴涨、宇宙学相变以及宇宙弦等现象，也可能来自于众多超大质量双黑洞合并过程中释放的引力波背景。深入理解信号的来源有望帮助我们揭示宇宙的奥秘，拓展对整个宇宙演化过程的认知。

镜像希格斯模型通过镜像对称性扩展了粒子物理标准模型，可解决希格斯质量规范等级问题。紫金山天文台范一中研究员领导的团队发现，在这一模型中，早期宇宙的暗量子色动力学时期可能会发生相变。当限制镜像希格斯模型中的中微子有效代数大于0.2时（图1左），相变过程中产生的随机引力波背景可解释脉冲星计时阵列探测到的信号（图1右）。结合之前利用弱引力透镜观测获得的结果，该模型在特定参数空间下，可以同时缓解哈勃常数和S₈常数的疑难，并解释纳赫兹随机引力波背景信号的起源问题。

紫金山天文台博士后祖磊为论文第一作者，蔡岳霖研究员与范一中研究员为通讯作者，研究生张弛、李垚钰与顾玉超博士为共同作者。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、科学探索奖、国家自然科学基金委、中国科学院、江苏省项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.01.037

图1：左图：镜像希格斯模型中满足解释纳赫兹引力波以及符合宇宙学观测的参数空间：真空期望值之比（）与有效中微子代数（）的关系。红色、蓝色以及绿色线以上，黑色线以下蓝绿色区域分别代表的是在NANOGrav、EPTA和PPTA限制下镜像希格斯模型允许的参数空间。右图：镜像希格斯模型通过暗量子色动力学一阶相变产生的引力波信号。紫色和橙色实线分别对应模型参数=0.1和0.2。红色、蓝色和绿色区域分别是NANOGrav、EPTA和PPTA所观测的纳赫兹随机引力波信号。