[論文レビュー] Cosmic Simulations of Axion String-Wall Networks: Probing Dark Matter and Gravitational Waves for Discovery

Yang Li, Ligong Bian+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、初期宇宙におけるクーロン・アキソン・ストリング・ウォールネットワークからの重力波（GW）放射を3次元格子シミュレーションを用いてモデル化する。QCDアキソンとアキソン様粒子（ALP）を対象とする。ストリングのみからのGWは検出不能であるが、複数のドメインウォール（$N_{\rm DW} > 1$）を有するモデルでは、ナノヘルツからキロヘルツ帯の検出可能なGW信号が出現する。特に、ウォールを安定化させるバイアス項が存在する場合に顕著である。

ABSTRACT

We simultaneously study gravitational waves (GWs) and free axions emitted from axionic string-wall networks in the early universe using advanced 3D lattice simulations. Our simulations start before the Peccei-Quinn phase transition and end with the destruction of string-wall networks below the QCD scale. The axion dark matter (DM) relic abundance radiated from string-wall networks are updated and refined for the scenarios of $N_{ m DW}>1$. In this scenario, we observe that the GW spectrum is almost independent of the bias term and $N_{ m DW}$, and $Ω_{ m GW}h^2\propto f^{1.29}(f^{-0.43})$ in the IR and middle-frequency regions. After considering the constraints from DM relic abundance, we found that the QCD axion model predicts undetectable GW emissions, and the axion-like particles model allows for a detectable GW signal in the nano-Hertz to the milli-Hertz frequency range corresponding to axion masses range from KeV to TeV. For $N_{ m DW}=1$, the GW energy density appears undetectable for QCD axions and axion-like particles.

研究の動機と目的

• 高精度な3次元格子シミュレーションを用いて、初期宇宙におけるアキソン・ストリング・ウォールネットワークからの重力波（GW）放射を調査すること。
• 現在および将来のGW実験が、アキソン・ストリングおよびドメインウォール（DW）からのGWを検出可能かどうかを特定すること。
• ドメインウォール数 $N_{\rm DW}$ およびバイアス項がGWスペクトルに与える影響を検討すること。
• ナノヘルツからキロヘルツ帯の周波数範囲において、QCDアキソンとアキソン様粒子（ALP）からのGWの検出可能性を評価すること。
• ストリングネットワークのスケーリング行動およびGWエネルギー密度がアキソン崩壊定数 $f_a$ に従ってどのようにスケーリングするかを検証すること。

提案手法

• Peccei-Quinn（PQ）対称性の破れ過程を3次元格子でシミュレートし、PQ転移の前から始めてQCD時代を経て進化させる。
• ストリングおよびドメインウォールネットワークの時間的変化を追跡し、共動面積密度およびストリング間隔を評価することで、スケーリング行動を検証する。
• ストリング・ウォール系のストレイン・エネルギー・テンソルを用いて重力波エネルギー密度スペクトル $\Omega_{\rm GW}h^2$ を計算し、今日の値に赤方偏移させる。
• バイアス項を明示的にモデル化してウォールを安定化させる場合に、$N_{\rm DW} = 1$（QCDアキソンモデル）と $N_{\rm DW} > 1$（ALPモデル）のGWスペクトルを比較する。
• スケーリングパラメータを算出するための2通りの独立した手法（平均ストリング間隔の時間的変化と標準スケーリングモデル）を用い、一貫性のある結果を得た。
• 最終時刻から今日までのGWスペクトルの赤方偏移を、ハッブル定数およびスケール因子の時間発展を用いて適用する。

Figure 1: Evolution of scaling parameters with rescaled conformal time $\tilde{\eta}$ and rescaled cosmic time $\tilde{t}=t/t_{i}$ , with $t_{i}=1/(2H_{i})$ the initial cosmic time. In a radiation-dominated universe, the scaling parameter is equal to four times the number of infinite (long straight)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙におけるアキソン・ストリング・ウォールネットワークから放出される重力波の振幅および周波数スペクトルは何か？
• RQ2 ドメインウォール数 $N_{\rm DW}$ は、アキソンネットワークからの重力波信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 Pulsar Timing Array（PTA）、LISA、LIGO などの現在および将来の実験が、アキソン・ストリングおよびドメインウォールからの重力波を検出可能か？
• RQ4 ポテンシャルにバイアス項が存在する場合、ドメインウォールの存続期間および重力波放射にどのような影響を与えるか？
• RQ5 解析的モデルが予測するように、GWエネルギー密度が $\Omega_{\rm GW}h^2 \propto (v/M_{\rm pl})^4$ に比例するか？

主な発見

• $N_{\rm DW} = 1$（QCDアキソンモデル）の場合、今日のピーク重力波エネルギー密度は $(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm QCD} = 5.36 \times 10^{-12}$ であり、これは現在および将来のGW実験では検出不能である。
• $N_{\rm DW} > 1$ の場合、GWスペクトルはポテンシャルにおけるバイアス項の係数に大きく依存し、これはドメインウォールを安定化させ、GW放射を増幅させる。
• ALPモデルで $N_{\rm DW} > 1$ の場合、追加のPQ時代中にピーク重力波エネルギー密度は $(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm add} = 3.81 \times 10^{-10}$ に達し、検出可能な信号である可能性がある。
• バイアス項が非ゼロである場合、$N_{\rm DW} > 1$ のGWスペクトルにはナノヘルツからキロヘルツ帯の検出可能なピークが現れる。
• シミュレーションにより、ストリングネットワークがスケーリング状態に達し、スケーリングパラメータ $\xi_{\rm s} = 0.99$ を示すことが確認され、理論的予測と整合的である。
• $(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm add}/(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm QCD} \approx (v_{\rm add}/v_{\rm re})^4$ の比が、ストリング支配の放射に対して解析的スケーリング $\Omega_{\rm GW}h^2 \propto (v/M_{\rm pl})^4$ を確認している。

Figure 3: The GW power specra today for different values of $\Xi$ in the case of $N_{\rm DW}=3$ . The two black dashed lines denote the dimensionless comoving momentum corresponding to the Hubble radius and the thickness of DW at $T_{\rm dec}$ in the case of $\Xi=2.5\times 10^{-72}$ .