NANOGrav Collaboration fångade nyligen de första tecknen på mycket lågfrekventa gravitationsvågor. Prof. Pedro Schwaller och Wolfram Ratzinger analyserade data och, särskilt, övervägde möjligheten om detta kan peka mot ny fysik bortom Standardmodellen. I en artikel publicerad i tidskriften SciPost fysik , de rapporterar att signalen överensstämmer med både en fasövergång i det tidiga universum och närvaron av ett fält av extremt lätta axionliknande partiklar (ALP). De senare anses vara lovande kandidater för mörk materia.

Gravitationsvågor öppnar ett fönster in i det tidiga universum. Medan den allestädes närvarande kosmiska mikrovågsbakgrunden inte ger några ledtrådar om de första 300, 000 år av vårt universum, de ger några glimtar av vad som hände under Big Bang. "Det är just detta mycket tidiga universum som är så spännande för partikelfysiker, " förklarar Pedro Schwaller, Professor i teoretisk fysik vid PRISMA+ Cluster of Excellence vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). "Detta är den tid då elementarpartiklar som kvarkar och gluoner är närvarande, och sedan kombinera för att bilda byggstenarna i atomkärnor."

Det speciella med gravitationsvågorna som NANOGrav Collaboration har upptäckt för första gången är att de har en mycket låg frekvens på 10 ^-8 Hertz, vilket motsvarar ungefär en svängning per år. På grund av deras motsvarande stora våglängd, För att kunna upptäcka dem måste också en detektor vara lika stor. Eftersom en sådan detektor inte är möjlig här på jorden, astronomerna på NANOGrav använder avlägsna pulsarer och deras ljussignaler som enorma detektorer.

Wolfram Ratzinger beskriver motivationen bakom deras arbete:"Även om data hittills bara ger oss en första antydan om förekomsten av lågfrekventa gravitationsvågor, det är fortfarande väldigt spännande för oss att arbeta med dem. Detta beror på att sådana vågor kunde produceras av olika processer som inträffade i det tidiga universum. Vi kan nu använda de uppgifter vi redan har för att besluta, vilka av dessa kommer i beaktande och vilka som inte alls passar in i uppgifterna."

Som ett resultat, de Mainz-baserade forskarna bestämde sig för att titta särskilt noga på två scenarier som kunde ha orsakat de observerade gravitationsvågorna:Fasövergångar i det tidiga universum och ett mörkt materiafält av extremt lätta axionsliknande partiklar (ALP). Fasövergångar som dessa uppstår på grund av den fallande temperaturen i ursoppan efter Big Bang och resulterar i massiva turbulenser – dock som mörk materia omfattas de inte av standardmodellen.

Baserat på tillgängliga uppgifter, Pedro Schwaller och Wolfram Ratzinger tolkar resultaten av sin analys med relativ försiktighet:"Kanske lite mer sannolikt är övergångsscenariot i den tidiga fasen." Å andra sidan, de två fysikerna tror att det faktum att de kan räkna ut vissa möjligheter endast baserat på begränsade data bevisar potentialen i deras tillvägagångssätt. "Vårt arbete är det första, men viktig utveckling – det ger oss mycket förtroende för att vi med mer exakta data kan dra tillförlitliga slutsatser om budskapet gravitationsvågor skickar oss från det tidiga universum."

"Vidare, " avslutar Pedro Schwaller, "Vi kan redan börja fastställa vissa egenskaper hos scenarierna och sätta begränsningar på dem, i vårt fall styrkan av fasövergången och massan av axionerna."