[論文レビュー] Did we hear the sound of the Universe boiling? Analysis using the full fluid velocity profiles and NANOGrav 15-year data

Tathagata Ghosh, Anish Ghoshal+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

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ひとこと要約

本論文は、簡略化された破損パワー則ではなく、完全な流体速度プロファイルを用いてモデル化された強力な一次相転移に起因する音波が、NANOGrav 15年分の重力波データに対して、従来のモデルよりもより良いフィットを示すと提唱している。改善されたフィットは、より現実的な相転移時間スケールをもたらし、観測された青傾きスペクトルを説明する有効な宇宙論的メカニズムを提供する。CMB、ニュートリノ、ダークセクター実験からの補足的プローブも得られる。

ABSTRACT

In this paper, we analyse sound waves arising from a cosmic phase transition where the full velocity profile is taken into account as an explanation for the gravitational wave spectrum observed by multiple pulsar timing array groups. Unlike the broken power law used in the literature, in this scenario the power law after the peak depends on the macroscopic properties of the phase transition, allowing for a better fit with pulsar timing array (PTA) data. We compare the best fit with that obtained using the usual broken power law and, unsurprisingly, find a better fit with the gravitational wave (GW) spectrum that utilizes the full velocity profile. We then discuss models that can produce the best-fit point and complementary probes using CMB experiments and searches for light particles in DUNE, IceCUBE-Gen2, neutrinoless double beta decay, and forward physics facilities at the LHC like FASER nu, etc.

研究の動機と目的

• 標準的な破損パワー則の代わりに物理的に妥当な完全な流体速度プロファイルを用いることで、重力波スペクトルがNANOGrav 15年分のデータによりよくフィットするようにすること。
• 観測された青傾きの重力波スペクトル（ΩGW ∝ f^(1.3–2.4)）が、一次相転移に起因する音波によって説明可能かどうかを評価すること。
• このような相転移と関連する重力波信号を生成可能な、妥当なダークセクター・モデルを同定すること。
• CMB実験（CMB-S4、CMB-HDなど）および地上プローブ（DUNE、IceCube-Gen2、LHCにおけるFPF、ニュートリノ無二重ベータ崩壊）からの補足的制約を調査すること。

提案手法

• 完全な流体速度プロファイルを用いて、一次相転移中の重力波スペクトルをモデル化する。破損パワー則を仮定するのではなく、物理的プロファイルを用いる。
• NANOGrav 15年分のデータを用いて、バブル壁速度、プラズマ温度、転移強度などの相転移パラメータを制約する。
• 統計的基準を用いて、完全な速度プロファイルモデルと標準的な破損パワー則モデルのフィットの良さを比較する。
• ダークセクターと標準模型（SM）を接続するための有効作用素（ϕN¯N¯）を導出する。これにより、現象論的制約が可能になる。
• メソン崩壊、ニュートリノ無二重ベータ崩壊、DUNE、IceCube-Gen2、LHCにおけるFPFから得られる、結合定数gαβおよび媒介粒子質量mϕの既存および予想される実験的制約をマッピングする。
• マジョナリアン、逆せまい効果、U(1)B−Lモデルなどのモデルを用いて、有効理論のUV完全性を評価する。

Figure 1: The data from NANOGrav measurement for relic density of SGWB w.r.t. frequency in Hz (black) against the best fit using the full sound shell model (red) and the best fit for a broken power law fit (blue) frequently appearing in the literature (see eqn 9 ). The parameters behind each fit are

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全な流体速度プロファイルが、破損パワー則と比較して、NANOGrav 15年分のデータで観測された青傾きスペクトル（ΩGW ∝ f^(1.3–2.4)）をよりよく説明できるか。
• RQ2 完全な速度プロファイルによるフィットから得られる物理的パラメータ（例：相転移時間スケール、壁速度）は、破損パワー則モデルの結果と比較してどうなるか。
• RQ3 どのダークセクター・モデルが、最良のフィット重力波スペクトルと整合し、宇宙論的および素粒子物理学的制約を満たすか。
• RQ4 将来のCMB実験と地上ニュートリノ／ダークマター探索が、重力波観測と組み合わせて、相転移パラメータ空間をどのように補足的に探査できるか。
• RQ5 ニュートリノポータル作用素が、DUNE、IceCube-Gen2、LHCにおけるFPFで軽い媒介粒子の検出にどのような影響を及えるか。

主な発見

• 完全な流体速度プロファイルモデルは、標準的な破損パワー則モデルよりも、NANOGrav 15年分のデータに対して顕著に優れたフィットを示し、特に青傾きスペクトル（ΩGW ∝ f^(1.3–2.4)）の捉えに優れている。
• 完全な速度プロファイルによる最良のフィットから得られる相転移パラメータは、ハッブル時間に対して短い時間スケールを示し、破損パワー則モデルの結果よりも物理的により現実的である。
• モデルは、観測されたヘリングス・ダウンズの角度相関パターンと整合する重力波の振幅を予測しており、これは天体的SMBHBとは対照的に、宇宙論的起源を支持する。
• DUNE、IceCube-Gen2、LHCにおけるFPFからの既存および予想される実験的制約を用いて、ニュートリノポータル結合定数gαβおよび媒介粒子質量mϕの補足的制約が得られた。
• CMB-S4、CMB-HD、CMB-Bharat、LiteBIRDといった将来のCMB実験は、相転移パラメータ空間を強力に補足的に探査できる。
• マジョナリアン、逆せまい効果、U(1)B−LモデルなどのUV完全なモデルは、有効ニュートリノポータル相互作用を実現でき、提案された相転移メカニズムを支持する。

Figure 2: Scan over different parameters of FOPT: $T_{n}$ , $\beta/H$ , $v_{w}$ and $\alpha_{n}$ to find the minimum of $\chi_{\rm fit}^{2}$ for the best-fit point that matches the NANOGrav data for SGWB around $10^{-8}$ Hz.