Ett banbrytande arbete ledd av Monash University fysiker har öppnat en ny väg för att förstå universums grundläggande fysik.

Arbetet, presenterat i en internationell recension publicerad i Progress in Particle and Nuclear Physics , följer nästan ett decenniums arbete av forskare vid School of Physics and Astronomy vid den naturvetenskapliga fakulteten vid Monash University.

Gravitationsvågor har bara nyligen upptäckts för första gången, vilket erbjuder en spännande möjlighet att fördjupa sig i partikelfysikens mysterier genom första ordningens fasövergångar (FOPT) i det tidiga kosmos.

FOPTs, som uppstår när nya fundamentala symmetrier bryts ner till standardmodellen, spelar en viktig roll för att lösa grundläggande pussel som problemet med kosmisk materia, antimateria, asymmetri eller problemen med den mörka sektorn, inklusive mörk materia och mörka krafter.

Forskare, inklusive huvudgranskningsförfattaren Ph.D. kandidat Lachlan Morris, har påbörjat en resa för att se över processen som leder från partikelfysikmodeller till observerbara GW, och lyfter fram de invecklade stegen som är involverade.

"Vårt arbete fungerar som en omfattande guide för partikelfysiker för att utforska den spännande riket av GW-fenomenologi", säger Morris. "Att förstå FOPTs är avgörande för att reda ut mysterierna i vårt universum."

Granskningen beskriver den invecklade resan från partikelfysikmodeller till observerbara GW som induceras av vakuumförfall under FOPTs.

Granskningen, som är medförfattare av professor Csaba Balazs, belyser den komplexa processen och täcker steg som att bygga effektiva potentialer, analysera övergångshastigheter och förutsäga GW-spektra.

"Vi står på randen av en ny era inom gravitationsvågastronomi", säger professor Balazs. "Framtiden har en enorm potential för rymd- och markbaserade detektorer att avslöja osynliga fenomen, potentiellt härrörande från FOPT."

Granskningen skisserar vägen från en partikelfysikmodell till GWs, som innehåller många specialiserade delar, inklusive:

• bygga en effektiv potential med ändlig temperatur i en partikelfysikmodell och kontrollera efter FOPT
• beräkna övergångshastigheter
• analysera dynamiken hos bubblor av verkligt vakuum som expanderar i ett termiskt plasma
• karakterisera en övergång med hjälp av termiska parametrar
• göra förutsägelser för GW-spektra med de senaste simuleringarna och teoretiska resultaten och överväga detekterbarheten av förutspådda spektra vid framtida GW-detektorer.

För varje steg betonar granskningen subtiliteterna, fördelarna och nackdelarna med olika metoder och granskar de senaste tillvägagångssätten som finns tillgängliga i litteraturen.

"Detta ger allt en partikelfysiker behöver för att börja utforska GW-fenomenologin," sa professor Balazs.

"När vi firar nästan ett decennium sedan den revolutionerande upptäckten av gravitationsvågor, har eran av markbaserade detektorer förändrat vår förståelse av kosmos. Den kommande eran av rymdbaserade detektorer lovar dock ännu fler extraordinära upptäckter, som potentiellt kan låsa upp hemligheterna av ny fysik utöver standardmodellen."

Mer information: Peter Athron et al, Kosmologiska fasövergångar:Från störande partikelfysik till gravitationsvågor, Progress in Particle and Nuclear Physics (2023). DOI:10.1016/j.ppnp.2023.104094

Tillhandahålls av Monash University