简单类轴子粒子模型中一阶相变产生的引力波

我们考虑一个具有整体 $U(1)$ 对称性的规范单态复标量场 $\Phi$，该对称性在某个高能标 $f_a$ 处自发破缺。结果，$\Phi$ 场的角度部分成为类轴子粒子（ALP）。我们表明，如果 $\Phi$ 场与标准模型希格斯玻色子有非零耦合 $\kappa$，则在 $\left(f_a, \kappa\right)$ 参数空间中存在某一区域，其中整体 $U(1)$ 对称性破缺诱导了强一阶相变，从而产生在当前和未来引力波探测器中可能可观测的随机引力波。特别地，我们发现未来的引力波实验如 TianQin、BBO 和 Cosmic Explorer 可探测能量标度 $10^3 \, {\rm GeV} \lesssim f_a \lesssim 10^{8} \, {\rm GeV}$ 的宽广范围，且与 ALP 质量无关。由于所有 ALP 与标准模型粒子的耦合都与能量标度 $f_a$ 的反幂成正比（直至模型依赖的 ${\cal O}(1)$ 系数），引力波探测前景在很大程度上与当前实验室、天体物理和宇宙学对 ALP 情形的探测互为补充。