[論文レビュー] Flat Energy Spectrum of Primordial Gravitational Waves vs Peaks and the NANOGrav 2023 Observation

V. K. Oikonomou|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、2023年のNANOGravのnHz帯の確率的重力波信号が、青傾きの原始的重力波スペクトルと異常な再加熱期を特徴とする宇宙論的モデルによって説明可能であると提唱している。妥当なメカニズムとして、$f(R)$重力、アインシュタイン＝ゴースト＝ボンネット理論、および短いスローロール軸子期を有するヒッグス＝アクシオンモデルが挙げられる。観測と整合性を持つためには、$\mathcal{O}(400)$ GeV程度の再加熱温度と青傾きのテンソルスペクトル指数が不可欠である。

ABSTRACT

In this work we present several characteristic examples of theories of gravity and particle physics scenarios that may yield an observable energy spectrum of stochastic primordial gravitational waves, compatible with the 2023 NANOGrav observations. The resulting theories yield a flat or a peak-like energy spectrum, and we further seek the conditions which if hold true, the energy spectrum can be compatible with the recent NANOGrav stochastic gravitational wave detection. As we show, in most cases a blue tilted spectrum combined with a relatively low reheating temperature is needed, the scale of which is determined by whether the radiation domination era is ordinary or it is an abnormal radiation domination era. One intriguing Higgs-axion model, which predicts short slow-roll eras for the axion field at the post-electroweak breaking epoch, which eventually change the total equation of state parameter at the reheating era, can explain the NANOGrav signal, if a blue tilted tensor spectral index inflationary era precedes the reheating era, and a reheating temperature of the order $\mathcal{O}(400)\,$GeV. This specific model produces an energy spectrum of primordial gravitational waves with a characteristic peak that is detectable from both the NANOGrav and future LISA experiment, but not from the future Einstein telescope.

研究の動機と目的

• 2023年のNANOGravが観測したnHz帯の確率的重力波背景を説明できる妥当な宇宙論的モデルを同定すること。
• 平坦またはピーク型の原始的重力波エネルギースペクトルが、NANOGravのデータと整合するための条件を特定すること。
• 再加熱温度とテンソルスペクトル指数が、観測された信号のスペクトル勾配を再現する役割を調査すること。
• 修正重力理論とアクシオン＝ヒッグス相互作用が、NANOGravおよび将来的な実験（例：LISA）で検出可能な信号を生成できるかを評価すること。
• ベイズ的モデル比較を用いて、NANOGrav信号の宇宙論的起源を、超大質量黒坑二重星などの天体的代替説明と比較して評価すること。

提案手法

• $f(R)$重力モデルを分析し、幾何的要因によって誘発される異常な再加熱期を用いて、平坦またはピーク型の原始的重力波スペクトルを生成する。
• 正のテンソルスペクトル指数を予測するアインシュタイン＝ゴースト＝ボンネット重力モデルを評価し、青傾きスペクトルをもたらす。
• 電弱対称性の破壊後に短いスローロール期を誘発する高次非可逆的相互作用を有するヒッグス＝アクシオンモデルを検討する。
• 再加熱期における曲率摂動と状態方程式の時間的変化を用いて、原始的重力波エネルギースペクトルを計算する。
• Planck 2018データからの制約とベイズ的モデル比較を適用し、提案されたモデルの妥当性を評価する。
• NANOGrav、LISA、エインシュタイン・テレスコープの間で予測される信号形状を比較し、検出可能性と区別可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $f(R)$重力に起因する異常な再加熱を伴う修正重力理論が、NANOGrav 2023年の信号の観測されたスペクトル勾配を再現できるか？
• RQ2 原始的重力波スペクトルがNANOGravの観測と整合するためには、必要なテンソルスペクトル指数と再加熱温度は何か？
• RQ3 一時的なスローロールアクシオン期を有するヒッグス＝アクシオンモデルが、重力波エネルギースペクトルに検出可能なピークを生成できるか？
• RQ4 NANOGrav、LISA、エインシュタイン・テレスコープにおける、競合するモデル間での予測信号形状の違いは何か？
• RQ5 NANOGrav信号の宇宙論的起源が、天体的説明（例：超大質量黒坑二重星）よりも統計的に支持されるか？

主な発見

• ほとんどのモデルにおいて、NANOGrav 2023年の信号を説明するには、青傾きのテンソルスペクトル指数と$\mathcal{O}(400)$ GeV程度の再加熱温度が不可欠である。
• 幾何的要因によって誘発される異常な再加熱を有する$f(R)$重力モデルは、NANOGravの観測と整合する平坦またはピーク型のエネルギースペクトルを生成できる。
• 短いスローロールアクシオン期を有するヒッグス＝アクシオンモデルは、NANOGravおよびLISAで検出可能な特徴的なピークを重力波スペクトルに生成できるが、エインシュタイン・テレスコープでは検出できない。
• 顕著な青傾きテンソルスペクトルと低再加熱温度を有するアインシュタイン＝ゴースト＝ボンネットモデルも信号を説明可能であるが、Planck 2018データからの制約が厳しい。
• 非局所的Starobinskyモデルは、宇宙論的制約と整合しつつも大きな青傾きスペクトル指数を生成できるため、妥当な候補と特定された。
• ベイズ的モデル比較により、宇宙論的モデルは天体的モデルよりも10〜100倍の尤もらしさを示し、信号の宇宙論的起源を支持する。