12、宇宙微波背景辐射（CMB）的深入解析

宇宙微波背景辐射（CMB）的深入解析

1. 引力波探测的实验难题

在对宇宙微波背景辐射（CMB）的研究中，引力波的探测面临着诸多实验难题。由于暴胀产生的幸存引力模式处于非常大的角尺度 Λ，这意味着天空中只有少数区域可供观测，从而限制了统计数据的获取。此外，前景引力透镜或星际尘埃散射引起的偏振会产生背景噪声，这限制了慢滚参数 r 的下限，而 r 参数是引力波的一个重要指示。

例如，BK（BICEP - Keck）数据已经进行了去透镜校正，但星际尘埃仍然限制了搜索频率范围，最佳频率约为 100 GHz。目前，对引力波的限制并不十分严格，只是给出了 r 参数的上限。由于在 CMB 解耦定义 CMB 结构时，傅里叶模式必须在视界内（τdec/τo ∼ 0.02），因此只有 kτo < 50 的 h 模式才被认为是相关的。而且，光子在穿过前景时可能会与星际尘埃发生散射，并非完全自由传播。

值得注意的是，2023 年 12 月，一个专家小组将低多极引力波信号的搜索确定为未来十年粒子物理学研究的主要优先事项。此外，还支持进一步扩展弱相互作用大质量粒子（WIMP）的搜索，以达到中微子“地板”，并尽可能超越它。与宇宙学相关的搜索被给予了高度优先。

2. 标量场暴胀

除了由度规扰动引起引力波的张量模式外，还有由于场的量子涨落产生的标量扰动，这些标量扰动会导致密度波。因此，暴胀理论可以预测可见 CMB 内的结构。实际上，暴胀范式使得 CMB 的预测具有定量性，并准确地定义了标准宇宙学模型（SMC）的参数。

假设宇宙的总能量密度主要由暴胀势 V 主导，那么暴胀场 φ 的涨落会导致能量密度的涨落。在暴胀期间，由于宇宙的快速膨胀，这些涨落