[論文レビュー] Generation of gravitational waves from symmetry restoration during inflation

Cody Goolsby-Cole, Lorenzo Sorbo|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、インフレーション期にスカラー場χの質量が対称性の回復により時間に依存する質量を獲得するが、以降のインフレーション期に質量がゼロのまま保たれる場合、重力波（GWs）が生成され得ると提案している。従来のモデルとは異なり、場の質量がゼロを通過した後に回復するのではなく、ここでは場が質量ゼロのまま保たれ、その結果、GWの生成が強化される。主な結果として、χの種類が1つの場合、CMB実験ではr ~ 10⁻⁵までに制限されるが、複数の種類の場合、LISA帯域のGW振幅が10⁻¹³を超える可能性があり、検出可能になる可能性がある。

ABSTRACT

We discuss the possibility of a feature in the spectrum of inflationary gravitational waves sourced by a scalar field $χ$ whose vacuum fluctuations are amplified by a rapidly time dependent mass. Unlike previous work which has focused on the case in which the mass of the field $χ$ vanishes only for an instant before becoming massive again, we study a system where the scalar field becomes and remains massless through the end of inflation as the consequence of the restoration of a shift symmetry. After applying appropriate constraints to our parameters, we find, for future CMB experiments, a small contribution to the tensor-to-scalar ratio which can be at most of the order $r \sim 10^{-5}$. At smaller scales probed by gravitational interferometers, on the other hand, the energy density in the gravitational waves produced this way might be above the projected sensitivity of LISA, $Ω_{GW}\,h^2 \sim 10^{-13}$, in a narrow region of parameter space. If there is more than one $χ$ species, then these amplitudes are enhanced by a factor equal to the number of those species.

研究の動機と目的

• インフレーション中に対称性の回復により質量が消え、以降もゼロのままであるスカラー場χからの初期宇宙重力波（PGWs）の生成を調査すること。
• このようなメカニズムが、重力波干渉計（例：LISA）が観測可能な周波数帯で検出可能なGW信号を生成できるかどうかを調査すること。
• 得られるGWスペクトルを標準的な真空揺らぎと比較し、その物性的特徴の違いを評価すること。
• GW振幅がχの種類数やエネルギースケールΛχなどのモデルパラメータにどのように依存するかを定量化すること。

提案手法

• スカラー場χが二次的場σとの結合を通じて時間に依存する有効質量を獲得するモデルを構築し、シフト対称性の回復により質量がゼロのまま保たれることを仮定する。
• 臨界時刻以降、質量mχ(t)がゼロのまま保たれる時間に依存する有効質量を用い、χ量子の持続的生成を記述する。
• χの揺らぎが生成するストレステンソルを源として、計量揺らぎh_ijの2点関数を計算し、χを古典的源として扱う。
• in-in形式を用いてGWのパワースペクトルP_T(k)を計算し、χの自己相互作用および真空重力子との混合項の寄与に注目する。
• 運動量空間における得られたパワースペクトル式を数値的に統合し、UVカットオフをp_UV = 50Λχに設定する。
• de Sitterおよびミンコフスキー近似を用いて解析的スケーリング則を導出し、数値結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称性の回復後に質量がゼロのままであるスカラー場χが、顕著な重力波信号を生成できるか？
• RQ2 このようなメカニズムによるGW振幅は、インフレーションにおける標準的な真空揺らぎと比べてどの程度か？
• RQ3 GWパワースペクトルがχの種類数やエネルギースケールΛχにどのように依存するか？
• RQ4 得られるGW信号は、将来的な実験（例：CMB-S4 や LISA）で検出可能か？
• RQ5 χの質量がゼロのまま長期間にわたる状態が、mχがゼロを通過した後に回復するモデルと比較して、GW生成に共鳴的増幅を引き起こすか？

主な発見

• χの種類が1つの場合、テンソル対スカラー比rはr ~ 10⁻⁵に制限され、次世代のCMB実験（例：CMB-S4）の感度範囲内に収まる。
• 重力波干渉計が探査する小スケールでは、パラメータ空間の狭い領域において、GWエネルギー密度Ω_GW h²が10⁻¹³を超える可能性があり、LISAで検出可能になる可能性がある。
• GWパワースペクトルのピーク振幅は、χχ源項に対してP_T ∝ Λχ⁵ / M_P⁴、真空重力子との混合項に対してP_T ∝ k Λχ³ / M_P⁴とスケーリングする。
• 混合項ではkt ≈ 2.37、自己相互作用項ではkt ≈ 2.65の周波数で、GWスペクトルに特徴的なピークが現れる。
• 振幅はχの種類数に比例して増幅され、多スカラー模型が検出可能なGW信号にとって特に有望である。
• 一貫したχ粒子生成によるコherentlyな振動的振るまいが、真空揺らぎの特徴のないスペクトルとは明確に区別される。