[論文レビュー] Gravitational Wave Emissions from First Order Phase Transitions with Two Component FIMP Dark Matter

Madhurima Pandey, Avik Paul|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、標準模型に $Z_2 \times Z'_2$-対称性を持つスカラー単粒子拡張を施した二成分のFIMPダークマター模型を提案し、このダークマター系が駆動する一次的電弱相転移が検出可能な重力波（GW）を生成することを示している。解析的および数値的計算を通じて、GW強度が $10^{-3}$–$10^{-2}$ Hz の周波数帯域にピークを示し、ALIA、BBO、DECIGO などの将来の宇宙望遠鏡型検出器の感度帯域内に位置していることが明らかになった。GW生成は、ダークマターの自己相互作用カップリングに強く依存している。

ABSTRACT

We explore the emissions of the Gravitational Waves (GWs) from a strong first-order ekectroweak phase transition. To this end, a dark matter model has been investigated in Feebly Interacting Massive Particle (FIMP) scenario, where the dark matter particles are produced through "freeze-in" mechanism in the early Universe and due to their very small couplings they could not attain thermal and chemical equilibrium with the Universe's thermal plasma. In this context, we extend scalar sector of Standard Model of particle physics by two additional scalar singlets whose stability is protected by an unbroken discrete $Z_2 imes Z'_2$ symmetry and they are assumed to develop no VEV after spontaneous symmetry breaking. We study the first-order phase transition within the framework of this present model. We have done both analytical and numerical computations to calculate the consequent production of GWs and then the detectabilities of such GWs have been investigated at the future space based detectors such as LISA, BBO, ALIA, DECIGO, aLIGO and aLIGO+ etc. We also find that dark matter self coupling has a considerable influence on the GW production in the present scenario.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における二成分のFIMPダークマター模型が強い一次的電弱相転移（SFOEWPT）を引き起こせるかどうかを調査すること。
• 有限温度補正を加えた有効ポテンシャルを用いて、SFOEWPT中のボイル核生成および衝突に起因する重力波（GW）信号を計算すること。
• 将来の宇宙望遠鏡型（例：LISA、BBO、DECIGO）および地上型（aLIGO）重力波検出器によるこれらの原始的GWの検出可能性を評価すること。
• 標準的なFIMP凍結インメカニズムを越えて、ダークマターの自己相互作用カップリングがGW生成に与える影響を検討すること。
• GW信号が最大となり、将来の検出器の感度範囲内に位置するモデルパラメータ空間におけるベンチマークポイント（BP1–BP3）を同定すること。

提案手法

• 標準模型のスカラーレジームに、それぞれ別個の $Z_2$ および $Z'_2$ 離散的対称性によって保護される二つの実スカラーモードを追加し、安定性を確保するとともに、真空期待値が生じないようにする。
• ダークマター生成のための弱い相互作用メカニズム（凍結イン）を導入し、FIMP粒子が熱平衡に達しない状態で、標準模型の粒子の崩壊によって生成されることを想定する。
• 相転移のダイナミクスを特定するため、一次ループ補正を含む有限温度有効ポテンシャルを計算し、対称的状態と破れた状態の間の障壁が出現する臨界温度 $T_n$ を同定する。
• CosmoTransitionパッケージ（修正版を用いて）を用い、ボイル壁の速度、核生成率、および $\beta/H$ の比（$\beta$ は相転移の逆時間）といった相転移パラメータを計算する。
• ボイル衝突、音響波、MHD乱流の標準的GW生成モデルを適用し、周波数 $f$ の関数としてのエネルギー密度スペクトル $\Omega_{\rm GW}(f)$ を計算する。
• 得られたGW強度スペクトルを、将来の検出器の予想感度曲線と比較する際、パワー則統合感度アプローチを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z_2 \times Z'_2$ 対称性を持つ二成分のFIMPダークマター模型は、強い一次的電弱相転移を引き起こせるか？
• RQ2 ダークマターの自己相互作用カップリングのパラメータが、相転移中の重力波放射の振幅および周波数に与える影響は何か？
• RQ3 本模型から生じる重力波信号は、LISA、BBO、ALIA、DECIGO などの将来の宇宙望遠鏡型重力波観測所で検出可能か？
• RQ4 有限温度補正は、この拡張スカラーモデルにおける相転移ダイナミクスおよびGW生成にどのように寄与するか？
• RQ5 パラメータ空間におけるベンチマークポイント（BP1–BP3）は、GW強度および検出可能性の観点でどのように相違するか？

主な発見

• 二つの安定なスカラーモードと小さなヒッグスポータルカップリングのおかげで、モデルは強い一次的電弱相転移を実現している。
• BP1、BP2、BP3の重力波スペクトルのピーク周波数は、それぞれ $7\times10^{-3}$ Hz、$1.2\times10^{-2}$ Hz、$4\times10^{-3}$ Hzであり、すべて将来の宇宙望遠鏡型検出器の最適感度帯域内にある。
• BP3のGW強度は三つのベンチマークポイントの中で最大であり、これはパラメータ $\alpha$ の最大値と $\beta/H$ の最小比に起因し、より効率的かつ速い相転移を示している。
• すべてのベンチマークポイントからのGW信号は、ALIA、BBO、DECIGO の感度曲線内に位置しており、これらの将来的なミッションにおける強い検出可能性を示している。
• ダークマターの自己相互作用カップリングが、ヒッグスポータルカップリングを小さくしてリリック密度制約を満たしても、GW生成に最も顕著な影響を与えることが判明した。
• 結果から、二成分のFIMPダークマター模型がダークマターの物性論的要件を満たすだけでなく、一次的相転移を通じて原始的重力波の有効な源であることが確認された。