[論文レビュー] Detecting the relic gravitational wave from the electroweak phase transition at SKA

Yohei Kikuta, Kazunori Kohri+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、電弱相転移から生じる確率的重力波背景の検出可能性を、平方キロメートルアレイ（SKA）のパルサータイムベース実験を用いて調査する。本研究では、MSSMなどに特徴的な小さな $\tilde{\beta}$ の領域をSKAが探査可能であることを示しており、標準模型を超えるヒッグス系の物理学を検証するための強力で補完的な手法を提供する。

ABSTRACT

We discuss possibilities to observe stochastic gravitational wave backgrounds produced by the electroweak phase transition in the early universe. Once the first-order phase transition occurs, which is still predicted in a lot of theories beyond the standard model, collisions of nucleated vacuum bubbles and induced turbulent motions can become significant sources of the gravitational waves. Detections of such gravitational wave backgrounds are expected to reveal the Higgs sector physics. In particular, through pulsar timing experiments planned in Square Kilometre Array (SKA) under construction, we will be able to detect the gravitational wave in near future and distinguish particle physics models by comparing the theoretical predictions to the observations.

研究の動機と目的

• 一次的相転移の過程で生成される確率的重力波背景の検出可能性を評価すること。
• 低周波数帯（$10^{-9}$ Hz から $10^{-4}$ Hz）における平方キロメートルアレイ（SKA）のこの重力波信号に対する感度を評価すること。
• 仮想真空中の有限な真空中エネルギーが宇宙論的進化および重力波生成に与える影響を検討すること。
• 理論的予測とSKA、eLISA、DECIGOからの観測的制約を比較し、素粒子物理学モデルを区別する点に焦点を当てる。

提案手法

• 一次的相転移中の泡の壁同士の衝突から生じる重力波生成をモデル化するため、エンvelope近似を用いる。
• 泡の衝突と乱流によって駆動される重力波エネルギー密度スペクトルの解析的公式を適用する。
• 真空エネルギーと放射エネルギー密度の比 $\alpha$ および相転移持続時間の逆数 $\tilde{\beta}$ を主要な観測量として導入する。
• 仮想真空中の有限な真空中エネルギーが膨張歴および相転移ダイナミクスに与える影響を組み込む。
• 信号対雑音比と白色矮星-白色矮星連星（WD-WD）の前景雑音を用いて、SKA、eLISA、Ultimate DECIGOの感度を比較する。
• モデルに依存しない解析とMSSMに由来する有効ポテンシャルを用い、$\alpha$ および $\tilde{\beta}$ などの物理的パラメータを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平方キロメートルアレイ（SKA）は、電弱相転移からの重力波背景を検出可能か？
• RQ2 パrameter $\alpha$ と $\tilde{\beta}$ は、一次的相転移からの重力波の検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 仮想真空中の有限な真空中エネルギーは、宇宙論的膨張および重力波生成にどのような影響を与えるか？
• RQ4 低周波数帯において、SKAの検出可能性はeLISAおよびDECIGOと比較してどうなるか？
• RQ5 特に小さな $\tilde{\beta}$ を持つ素粒子物理学モデル—特にそれらはSKAパルサータイムベース実験で最も容易に探査可能か？

主な発見

• SKAは、周波数帯域 $10^{-9}$ Hz から $10^{-4}$ Hz の範囲で、電弱相転移に起因する重力波背景を検出可能である可能性を有する。
• SKAは特に小さな $\tilde{\beta}$ 値に対して高い感度を示し、これはMSSMなどに自然に予測されるものであり、こうした理論の区別が可能になる。
• 重力波信号の検出可能性は $\alpha$ と $\tilde{\beta}$ のパラメータに強く依存しており、感度が最大になる領域は $\alpha \sim 0.1$ から $1$ および $\tilde{\beta} \sim 10$ から $100$ の範囲である。
• プランクによるヒッグス粒子質量および真空安定性に関する制約で除外された領域は、SKAの検出可能なパラメータ空間と整合的である。
• 白色矮星連星（WD-WD）からの前景雑音が最も低い周波数帯域での観測領域を制限するが、SKAの感度は依然として重要な理論的モデルにアクセス可能である。
• 本稿は、電弱相転移に起因する重力波観測が、標準模型を超える物理学を探索するためのLHC実験の補完的手段として有効であることを確認している。