[論文レビュー] Gravitational Wave Imprint of New Symmetry Breaking

Wei Chao, Wenfeng Cui+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 59被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における強い一次相転移の過程で生成される確率的重力波（GWs）を用いて、新たな基本的ゲージ対称性—特にB-L対称性—を検出する手法を提案する。B-L対称性の破れを引き起こすために少なくとも2つの電弱ノードスカラーが存在する場合、LISA、BBO、DECIGO、Ultimate-DECIGOといった宇宙ベース干渉計で検出可能なエネルギースペクトルが得られることを示している。

ABSTRACT

It is believed that there are extra fundamental gauge symmetries beyond these described by the Standard Model of particle physics. The scale of these new gauge symmetries are usually too high to be reachable by particle colliders. Considering that the phase transition (PT) relating to the spontaneous breaking of new gauge symmetries to the electroweak symmetry might be strongly first order, we propose in this paper taking the stochastic gravitational waves (GW) arising from this phase transition as an indirect way of detecting these new fundamental gauge symmetries. As an illustration, we explore the possibility of detecting the stochastic GW generated from the PT of $\mathbf{ B-L}$ in the space-based interferometer detectors. Out study shows that the GW energy spectrum is reachable by the LISA, BBO, Taiji and DECIGO experiments only for the case where the spontaneous breaking of $\mathbf{B-L}$ is triggered by at least two electroweak singlet scalars.

研究の動機と目的

• 重力波を用いた、標準模型を超える新たな基本的ゲージ対称性の間接的検出を探索すること。
• B-L対称性の破れに関連する相転移が、観測可能な確率的重力波背景を生成できるかどうかを調査すること。
• 近い将来の宇宙ベース干渉計ミッションにおけるこのようなGW信号の検出可能性を特定すること。
• LISA、BBO、DECIGO、および関連実験の感度閾値に達するGWエネルギースペクトルが成立する条件を同定すること。

提案手法

• 相転移を引き起こすために1つ以上の電弱ノードスカラーを含む、標準模型のB-L拡張をモデル化する。
• 有限温度有効ポテンシャル法を用いて、相転移のダイナミクス（バブル核生成率、バブル壁速度、プラズマプロファイル）を計算する。
• バブル衝突、音波、乱流流体運動の3つの源から重力波エネルギースペクトルを計算する。
• 検出可能性を評価するために、参照文献[15]の信号対雑音比（SNR）の式を用いる。SNR = √[∫(h²Ω_GW / h²Ω_exp)² df × T]（Tはミッション期間）。
• 得られたGWスペクトルを、LISA（C1–C4設定）、BBO、ALIA、DECIGO、Ultimate-DECIGOの実験的感度曲線と比較する。
• 検出可能性がバブル壁速度（v_w）およびスカラー単位の数にどのように依存するかを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B-Lゲージ対称性の破れに起因する強い一次相転移から生じる確率的重力波は、将来の宇宙ベース干渉計で検出可能か？
• RQ2 LISA、BBO、またはDECIGOで検出可能なGW信号を生成するには、最低何個の電弱ノードスカラーが必要か？
• RQ3 バブル壁速度が、さまざまな実験設定におけるGW信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 B-L相転移において、音波と乱流の両者が合計GWエネルギースペクトルに果たす相対的寄与度はどの程度か？
• RQ5 0.01 Hz付近のピーク周波数を持つ確率的GW信号は、テヴスケールの新物理の兆候として機能できるか？

主な発見

• B-L対称性の破れに起因する重力波エネルギースペクトルは、LISA、BBO、DECIGO、Ultimate-DECIGOといった宇宙ベース干渉計でのみ、少なくとも2つの電弱ノードスカラーが相転移を引き起こす場合にのみ検出可能である。
• 1つのスカラー単位のみの場合、どの検討された宇宙ベース実験でもGW信号は検出不可能である。
• 検出可能性におけるピーク信号対雑音比（SNR）は、バブル壁速度が約 v_w ≈ 0.67 のとき観測され、これは超音速の燃焼波に対応する。
• LISAのC1、C2、C3設定では、v_w > 0.4 の広い速度範囲で信号が検出可能であり、C1とC2は広い範囲でSNRが10および50を超えている。
• DECIGOとBBOでは、v_w が 0.5 ≲ v_w < 0.8 の範囲でSNR > 50が達成され、SNR > 10の範囲はさらに広がる。
• LISAのC3およびC4設定（4リンク設計）では、いかなる v_w に対してもSNR > 50に達しないため、標準的な閾値では検出は困難である。