[論文レビュー] Clockwork axion footprint on nano-hertz stochastic gravitational wave background

B. Lu, Cheng-Wei Chiang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、PQ破壊スケールが約150–200 TeVのクロックワーク・アクションモデルにおける領域壁の崩壊がNANOGrav 15年の確率的重力波背景信号を説明し得ることを示しており、複数の gear field による特徴的な増幅GWスペクトルを予測する。

ABSTRACT

The recent Pulsar Timing Arrays (PTAs) nano-Hz gravitational wave (GW) background signal can be naturally induced by the annihilation of domain walls (DWs) formed at a symmetry-breaking scale $f\simeq 200$~TeV in the clockwork axion framework. Based on our first successful and precise prediction, we for the first time suggest that the recent PTA observations strongly support the novel mechanism of the QCD instanton-induced DW annihilation in the clockwork axion framework. We also for the first time discover a novel correlation between dark matter (DM) relic abundance and nano-Hz GW background, which in turn indicates a natural connection between the axion decay constant and the symmetry-breaking scale in the clockwork framework. We find that the GW signal has a peak $h^2Ω_{ m GW}\simeq 10^{-6.6}-10^{-6.1}$ at about 50~nHz, which is definite and testable for future PTA data at frequencies $\gtrsim 25$~nHz and CMB-S4 experiment. We also propose various phenomena that may appear in PTAs and future GW interferometers.

研究の動機と目的

• 低いPQ対称性破れスケールを実現しつつ妥当なaxion崩壊定数を維持する方法として、Clockwork axionを動機づける。
• このモデルにおける領域壁の崩壊からの重力波の生成を調査する。
• GWスペクトルを定量化し、NANOGrav 15年データとの適合性を評価する。
• GWデータから f、N、ε などのモデルパラメータを制約する。

提案手法

• 質量ゼロのアクシオンとN個のgear fields を生み出すN+1個のスカラー場と明示的なU(1)破壊を伴うclockwork axionの配置を記述する。
• スケーリング領域とQCD効果によるバイアスを用いて領域壁の張力と崩壊温度を計算する。
• シミュレーションに基づくパラメトリック形を用い、ピーク振幅と周波数を含む領域壁崩壊からのGWスペクトルをモデル化する。
• UltraNest を用いたNANOGrav 15年データに対するベイズ推定を実施し、f、N、εを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Clockwork axionモデルにおける領域壁崩壊は、NANOGrav 15年データと整合するnano-Hertz SGWBを生み出せるか。
• RQ2 観測されたスペクトルに最も適合するPQ-breakingスケール f、clockworkパラメータ N、および明示的破壊 ε の範囲はどれか。
• RQ3 複数のgear field (Nで特徴付けられる) からのエネルギー密度増大が、標準的なaxionシナリオと比べてGW信号にどのように影響するか。
• RQ4 f が約100–250 TeVのときの観測的意味とパラメータ境界はどうなるか。
• RQ5 PTA解析における他の提案SGWB源と予測されるGWスペクトルの比較はどうなるか。

主な発見

• 対称性破れスケール f はNANOGrav 15年データによっておおよそ100–250 TeVに制約される。
• データはN ≈ 14程度の大きなclockworkパラメータとε ≈ 0.27程度の明示的破壊を支持するが、f との縮退が存在する。
• f ≈ 150–200 TeVでの領域壁崩壊からのGWスペクトルは振幅と形状の点でNANOGrav 15年信号と一致し得る。
• N個のgear field による GW信号は増幅され、単純なaxionモデルよりもノノ-ヘルツSGWBが大きくなる。
• 分析はf ~ 150–200 TeVを、15年結果のgray NANOGrav帯域と良い一致を示す領域として支持する。