[論文レビュー] Gravitational waves from cosmic strings and first-order phase transition

Ruiyu Zhou, Ligong Bian|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙における1次相転移（FOPT）後に形成された宇宙ひもによる確率的重力波背景（SGWB）を調査し、高スケールでのU(1)'対称性の破れに注目している。熱的1ループ有効ポテンシャルとナムブ・ゴトーひも力学を用いて、LISAは$\mathcal{O}(10^8)$ GeV から $\mathcal{O}(10^{11})$ GeV の相転移温度を示すFOPTからの宇宙ひも信号を検出可能であることが示された。一方、検出器の感度範囲を超える高周波数抑制のため、FOPTそのものの信号は検出不能である。

ABSTRACT

Cosmic strings and first-order phase transition are two main sources for the stochastic gravitational wave background (SGWB). In this work, we study the stochastic gravitational wave radiation from cosmic string which is formed after the first-order phase transition. For the first-order phase transition occurs at temperature far beyond the electroweak scale, the gravitational wave signal cannot be reached by the future gravitational wave interferometers. The gravitational waves from cosmic strings that formed after the phase transition can be detected by future gravitational wave detectors in a wide range of frequency, and therefore its imprints can serve to search for firs-order phase transitions at high scales with the phase transition temperature: $ \mathcal{O}(10^8)$ GeV $ \leq T_n$ $\leq \mathcal{O}(10^{11})$ GeV.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における1次相転移（FOPT）後に生成された宇宙ひもによる確率的重力波背景（SGWB）を調査すること。
• 特にLISAを含む現在および将来の重力波検出器を用いた、このようなSGWB信号の検出可能性を特定すること。
• 直接の加速器実験では到達できない高スケールのFOPTを、宇宙ひも信号を間接的プローブとして用いる可能性を評価すること。
• 1ループ有効ポテンシャルを用いた熱的相転移ダイナミクスをモデル化し、それに続くひも張力とループ形成効率を計算すること。

提案手法

• 1次相転移中の自発的対称性の破れを記述する複素スカラー場を有するU(1)'ゲージ模型を構築する。
• コールドン＝ワインバーグ寄与と熱的補正（デバイ質量およびベッセル関数展開を用いた熱的積分）を含む有限温度1ループ有効ポテンシャルを計算する。
• ユークリッド作用形式によるバウンス解を用いて臨界バブルのプロファイルを導出し、相転移率を決定する。
• ループ形成効率$C_{\text{eff}} \approx 0.1$を用いたナムブ・ゴトー近似による宇宙ひもネットワークをモデル化し、ループ崩壊からの重力波スペクトルを計算する。
• ひも張力$G\mu$とループ分布を含む標準的公式を用いて、宇宙ひもからのSGWBパワースペクトルを計算する。
• LISA、LIGO、およびパルサー・タイム・アレイの感度曲線と比較し、宇宙ひもとFOPTからの予測されたGWスペクトルの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次相転移後に生成された宇宙ひもからの重力波信号は、FOPT信号が検出不能であるにもかかわらず、将来の干渉計によって検出可能か？
• RQ2 LISAによる宇宙ひも信号が検出可能となる相転移温度$T_n$の範囲は何か？
• RQ3 ひも張力$G\mu$は相転移スケールにどのように依存するか？また、これにより検出可能性にどのような意味があるか？
• RQ4 宇宙ひもスペクトルのカットオフ効果は、ひものループ形成とFOPT温度の両方にどのように関連しているか？
• RQ5 ナムブ・ゴトーモデルの仮定とループ形成効率の取り扱いは、予測されたGW振幅にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• 1次相転移そのものからの重力波信号は周波数が高すぎるため、いかなる現在または計画中の干渉計検出器でも検出不能である。これは感度帯域を超えるためである。
• 相転移温度が$\mathcal{O}(10^8)$ GeV $\leq T_n \leq \mathcal{O}(10^{11})$ GeVの範囲にあるFOPTからの宇宙ひも信号は、LISAによって検出可能であり、$G\mu \geq \mathcal{O}(10^{-17})$ である。
• 宇宙ひもからのGWスペクトルのピーク周波数は、$T_n \sim 10^8$–$10^{11}$ GeVの範囲でLISAの感度帯域内に位置し、高スケール相転移の有効なプローブとなる。
• 相転移温度$T_n \geq \mathcal{O}(10^{11})$ GeVでは、ひものループ形成が抑制され、検出器の到達範囲を超えた周波数でGWスペクトルにカットオフが生じる。
• 検出可能な周波数帯域内では、宇宙ひもからのSGWBがFOPT寄与を上回るため、宇宙ひもは高スケールFOPTのより有望な間接的プローブである。
• LISAの感度閾値$G\mu \geq \mathcal{O}(10^{-17})$は$T_n \geq \mathcal{O}(10^8)$ GeVに対応し、宇宙ひも信号の検出可能範囲の下限を定義する。