[論文レビュー] Fingerprint of GeV scale right-handed neutrinos on inflationary gravitational waves and PTA data

Satyabrata Datta, Rome Samanta|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、見せかけのモデルにおけるGeVスケールの右手型ニュートリノ（RHN）が、スカラー場の相転移を通じてインフレーション後の非標準的物質優勢時代を生成し、ブルー傾斜のインフレーション重力波（GW）を抑制することで、パルサー計時アレイ（PTA）データと整合させる可能性を提案している。このモデルは、先進LIGOで検出可能な相関的な高周波GWシグナルを予測し、PTAとLIGOの観測をRHN質量と混合角の制約に結びつける。これにより、宇宙論と素粒子物理学の統一的検証が可能となる。

ABSTRACT

We show that the seesaw mechanisms that exhibit right-handed neutrino mass-dependent non-standard post-inflationary cosmology make blue-tilted inflationary gravitational waves (GW) compatible with the recent findings of nHz stochastic GW background by the pulsar-timing arrays (PTAs) for high reheating temperatures. The right-handed neutrino (RHN) mass scale has to be $\mathcal{O}( m GeV)$. Remarkably, such a scenario produces a correlated signature testable by the future LIGO run. In addition to contributing to the active neutrino masses, $\mathcal{O}( m GeV)$ RHNs generate baryon asymmetry of the universe via low-scale-leptogenesis. They can be searched for in collider experiments. Therefore, the recent detection by PTAs is not only exciting for GWs in the nHz range; it paves the way to test and constrain well-studied mechanisms, such as seesaws, with a low-frequency and a correlated measurement of high-frequency GW spectral features, complementary to particle physics searches.

研究の動機と目的

• ブルー傾斜のインフレーション重力波と、nHz周波数帯でのステーショナリィなGW背景を観測したPTAデータの整合性を図ること。
• GeVスケールの右手型ニュートリノ（RHN）がインフレーション後に非標準的物質優勢時代を誘発し、その結果としてブルー傾斜のGWが抑制されることでビッグバンヘリウム合成の制約を満たす仕組みを説明すること。
• RHN質量、GWスペクトル特徴、および先進LIGOでの検出可能性との間の予測可能な関係を確立すること。
• せみのメカニズムを通じて、宇宙論的GWシグナルと素粒子物理学を統合すること。これには低スケールレプトゲネシスとコライダーで探索可能なRHNが含まれる。
• SHiPやMATHUSLAといった将来のコライダー実験と併せて、RHNを探索する動機を提示すること。

提案手法

• スカラー場の相転移によってRHN質量が生成されるモデル化。ここで $ M = f_N v_\Phi $ であり、$ f_N $ はヤコビ係数である。
• 崩壊幅 $ \Gamma \propto f_N^2 $ の導出。これによりRHNの寿命が $ f_N $ に依存し、物質優勢時代の持続時間に結びつく。
• 物質優勢時代におけるエントロピー生成の計算。これによりブルー傾斜のGW振幅が抑制される。
• 物質優勢と再熱化の影響でピーク-ディップ-ピーク構造を示すGWパワースペクトルの計算。$ T_\Phi $ が主要パラメータとして用いられる。
• モデルのGWスペクトルをNANOGrav 15年分のデータに一致させ、RHN質量を $ \mathcal{O}(\text{GeV}) $ に固定し、$ T_{\text{RH}} \gtrsim 10 $ GeV とする。
• 先進LIGOの感度を予測し、第二ピークの赤外尾部を検出可能とし、PTA信号と相関づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeVスケールの右手型ニュートリノは、パルサー計時アレイが観測したnHz周波数帯のステーショナリィな重力波背景を説明できるか？
• RQ2 RHN質量スケールが非標準的物質優勢時代の持続時間と、ブルー傾斜GWの抑制にどのように寄与するか？
• RQ3 本モデルにおいて、低周波（PTA）と高周波（LIGO）のGW信号の間には、どのような相関が予測されるか？
• RQ4 同じRHN系が、低スケールレプトゲネシスを通じて、アクティブニュートリノ質量とバリオン非対称性を同時に生成できるか？
• RQ5 RHNがアクティブニュートリノと混合する割合に、どのような制約が課され、それがコライダーおよび天体物理学的制約と整合するか？

主な発見

• モデルはNANOGrav 15年分のデータを、RHN質量スケール $ \mathcal{O}(\text{GeV}) $ でフィットし、2σ信頼区間で $ M \in [1, 47] $ GeV の範囲に収まる。
• 先進LIGO（ALIGO）帯域では、$ M \in [2.5, 47] $ GeV の範囲でGWスペクトルの特徴（第二ピークの赤外尾部）が検出可能であり、信号の検証が可能となる。
• ALIGOでSGWBが観測されない場合、PTAデータと整合するパラメータ空間の大部分が除外され、予測可能な反証可能性が得られる。
• 本モデルはPTAとLIGO間で相関するシグナルを予測し、同じ物理機構のマルチバンド検証が可能となる。
• RHN質量と混合角は独立して制約される：$ |U_\mu|^2 \sim m_\nu / M $、ここで $ m_\nu \approx 0.05 $ eV であり、$ M \in [2.5, 47] $ GeV の領域は、将来の実験（SHiPやMATHUSLA）で探索可能である。
• 本モデルは、B-Lの相転移に起因する宇宙ひもからのGWも生成可能であり、標準的物質優勢モデルとは異なるピーク-プラトー-ピーク構造のGWスペクトルをもたらす可能性がある。