[論文レビュー] Gravitational wave signatures of no-scale Supergravity in NANOGrav and beyond

Spyros Basilakos, Dimitri V. Nanopoulos+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、インフレーション点を伴うノスケール超対称理論モデルと原始ブラックホール（PBH）によって引き起こされる初期物質支配時代を特徴とする、nHz、Hz、kHzの周波数帯にまたがる三峰性の重力波（GW）信号を提案する。この信号は、曲率および等エントロピー摂動による二次高次のGW生成から生じる。三つのピークは、いずれもNANOGrav PTAデータと強い一致を示し、ノスケール超対称理論の観測的特徴としての可能性を示している。

ABSTRACT

In this Letter, we derive for the first time a characteristic three-peaked GW signal within the framework of no-scale Supergravity, being the low-energy limit of Superstring theory. We concentrate on the primordial gravitational wave (GW) spectrum induced due to second-order gravitational interactions by inflationary curvature perturbations as well as by isocurvature energy density perturbations of primordial black holes (PBHs) both amplified due to the presence of an early matter-dominated era (eMD) era before Big Bang Nucleosythesis (BBN). In particular, we work with inflection-point inflationary potentials naturally-realised within Wess-Zumino type no-scale Supergravity and giving rise to the formation of microscopic PBHs triggering an eMD era and evaporating before BBN. Remarkably, we obtain an abundant production of gravitational waves at the frequency ranges of $\mathrm{nHz}$, $\mathrm{Hz}$ and $\mathrm{kHz}$ and in strong agreement with Pulsar Time Array (PTA) GW data. Interestingly enough, a simultaneous detection of all three $\mathrm{nHz}$, $\mathrm{Hz}$ and $\mathrm{kHz}$ GW peaks can constitute a potential observational signature for no-scale Supergravity.

研究の動機と目的

• 超弦理論の低エネルギー極限であるノスケール超対称理論における特徴的な重力波（GW）シグナルの同定を目的とする。
• 10⁹ g未満の質量を有する原始ブラックホール（PBH）がビッグバン核合成（BBN）以前に初期物質支配（eMD）時代を引き起こすメカニズムの解明を目的とする。
• インフレーション期の断熱的摂動とPBHの等エントロピー摂動の二次高次の重力的相互作用から生じる誘導された確率的GW背景を導出することを目的とする。
• nHz、Hz、kHzの周波数帯で同時に観測されたGWピークが、ノスケール超対称理論の特徴的な観測的特徴として機能するかどうかを検証することを目的とする。

提案手法

• インフレーション点ポテンシャルを実現するため、変形されたケーラー補正を有するWess-Zumino型ノスケール超対称理論を採用する。
• BBN以前に初期物質支配（eMD）時代を引き起こす、10⁹ g未満の微小PBHの形成をモデル化する。
• PBHの数密度のポアソン揺らぎに起因する曲率摂動および等エントロピーエネルギー密度揺らぎの二次高次重力的相互作用を通じて、誘導GWスペクトルを計算する。
• eMD時代から放射支配時代への急激な遷移に起因するGWの共鳴的増幅を適用する。
• 予測されたGWパワースペクトルをNANOGrav 15年間のPTAデータと、将来の検出器（SKA、LISA、BBO、ET）の感度と比較する。
• CMBおよびBBNからの制約 Ω_GW,0 h² ≤ 6.9×10⁻⁶ を用いて、全GWエネルギー密度を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション点を伴うノスケール超対称理論が、nHz、Hz、kHzの周波数帯にまたがる三峰性の重力波信号を生成できるか？
• RQ2 PBHによって引き起こされる初期物質支配時代が、二次高次の重力的相互作用を通じてGWをどのように増幅させるか？
• RQ3 予測されたGWスペクトルが、15年間のNANOGravパルサータイミングアレイデータとどの程度一致するか？
• RQ4 nHz、Hz、kHzのGWピークが同時に検出された場合、それがノスケール超対称理論の特徴的な観測的特徴として機能するか？
• RQ5 三峰性のGW信号は、インフレーション点ポテンシャルを有するSU(2,1)/SU(2)×U(1)ノスケール超対称理論モデルの一般的な特徴であるか？

主な発見

• モデルは、nHz、Hz、kHzの周波数帯で三峰性の誘導GWスペクトルを生成し、nHz帯のピークは15年間のNANOGravパルサータイミングアレイデータと一致する。
• nHz帯のピークは、eMDからRDへの遷移に起因する共鳴的増幅を受けたインフレーション断熱摂動に起因し、誤差範囲内でPTA観測と一致する。
• Hz帯のピークは、PBHの等エントロピーエネルギー密度摂動に起因し、ETやBBOなどの将来の検出器の感度帯域内に位置する。
• kHz帯のピークは、微小PBHの形成過程に関連し、高周波数GW成分を提供する。
• 三つのピークが同時に検出された場合、それはノスケール超対称理論の特徴的な観測的特徴となる。
• 三峰性の信号は、ノスケールWess-Zumino型インフレーション点ポテンシャルの直接的結果であり、全PBHモデルに共通するものではなく、質量関数の広範なスケーリングにおける振動的信号とは明確に区別される。