[論文レビュー] Gravitational Waves from a Rolling Axion Monodromy

Ogan Özsoy|arXiv (Cornell University)|May 22, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 37被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、インフレーション中、急勾配のポテンシャル勾配の領域で一時的に加速するサーヴェイヤーaxion σ が、重力場とゲージ場へのカップリングを介して、非摂動的効果によって観測可能な原始的重力波を励起する、弦理論にインspiredされたaxionモノドロミー模型を提案する。得られるテンソルおよびスカラー揺らぎは、局所化された運動量空間のピークとパリティ破れ非ガウス性を示し、CMBおよび干渉計スケールで検出可能であり、同時にスカラー揺らぎの制約を満たしている。

ABSTRACT

In string theory inspired models of axion-like fields, sub-leading non-perturbative effects, if sufficiently large, can introduce steep cliffs and gentle plateaus onto the underlying scalar potential. During inflation, the motion of a spectator axion $\sigma$ in this potential becomes temporarily fast, leading to exponential amplification of one helicity state of gauge fields. In this model, the axion-gauge field sector interacts gravitationally with the inflaton, therefore the resulting sourced scalar and tensor fluctuations are produced only through gravitational interactions. Due to the temporary speeding up of $\sigma$ in the cliff-like regions, the tensor and scalar correlators sourced by the gauge fields exhibit a localized bump in momentum space corresponding to the modes that exit the horizon while the roll of $\sigma$ is significant. Thanks to the gravitational coupling of gauge fields with the visible sector and the localized nature of particle production, this model can generate observable gravitational wave signal at CMB scales while satisfying the current limits on scalar perturbations. The resulting gravitational wave signal breaks parity and exhibit sizeable non-Gaussianity that can be probed by future CMB B-mode missions. Depending on the initial conditions on $\sigma$ and model parameters, the roll of the spectator axion can also generate an observably large GW signature at interferometer scales while respecting the bounds on the scalar fluctuations from primordial black hole limits.

研究の動機と目的

• axion類似場理論における非摂動的効果が、弦にインspiredされたインフレーション模型において、観測可能な重力波信号を生成するメカニズムを探索すること。
• 転がるサーヴェイヤーaxionが、ゲージ場との重力的相互作用を通じてテンソルおよびスカラー揺らぎをどのように駆動するかを調査すること。
• このメカニズムが、CMBおよび干渉計スケールで検出可能な重力波を生成しつつ、スカラー揺らぎの制約に違反しないかを検証すること。
• 将来の観測プローブに向け、駆動された重力波信号のパリティ破れ性および非ガウス性の特徴を検討すること。

提案手法

• axion類似場理論における副次的非摂動的効果に起因する急勾配の崖と緩やかなプラットフォームを持つ、サーヴェイヤーaxion σ のスカラー・ポテンシャルをモデル化する。
• インフレーション中のσのダイナミクスを分析し、ゲージ場生成を引き起こす崖状領域における一時的加速に注目する。
• インフレーション場とaxion-ゲージ場セクター間の重力カップリングを用いて、重力によってのみスカラーおよびテンソル揺らぎを駆動する。
• 駆動された揺らぎの運動量空間相関関数を計算し、顕著なaxionの転がり中にホライズンを抜けるモードに対応する局所化されたピークを同定する。
• 得られる重力波パワー・スペクトルおよび非ガウス性を評価し、CMB Bモードおよび干渉計スケールでの検出可能性を検討する。
• 原始的ブラックホール形成の制約および現在のCMBスカラー揺らぎの制約を適用し、妥当性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 axion類似場における非摂動的効果が、インフレーション中における重力カップリングを通じて、観測可能な重力波信号を生成できるか？
• RQ2 崖状ポテンシャル内でのサーヴェイヤーaxionの一時的加速が、テンソルおよびスカラーパワー・スペクトルにどのように局所化された特徴を生成するか？
• RQ3 CMBおよび干渉計スケールにおける駆動された重力波信号の大きさとスペクトル形状は何か？
• RQ4 このモデルが、重力波信号においてどれほどパリティを破り、非ガウス性を生成するか？
• RQ5 このモデルは、スカラー揺らぎの観測制約を満たしつつ、検出可能なテンソルモードを生成できるか？

主な発見

• モデルは、顕著なaxionの転がり中にホライズンを抜けるモードに対応する、テンソルおよびスカラー揺らぎの運動量空間パワー・スペクトルに局所化されたピークを生成する。
• 重力波信号はパリティ破れを示し、顕著な非ガウス性を有しており、将来のCMB Bモードミッションによる検出が可能である可能性がある。
• ゲージ場と可視領域との重力カップリングおよび粒子生成の局所的性質のおかげで、CMBスケールでも信号が観測可能である。
• 初期条件およびモデルパrameterに応じて、axionの転がりは干渉計スケールでも観測可能な大きな重力波シグナルを生成しうる。
• 原始的ブラックホール形成およびスカラー摂動の制約から、現在の観測制約と整合するための妥当性を満たしている。