[論文レビュー] Gravitational Waves from Domain Wall Collapse, and Application to Nanohertz Signals with QCD-coupled Axions

Naoya Kitajima, Junseok Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 22

ひとこと要約

本論は軸アクシオンドメイン壁崩壊からの重力波を、温度依存のQCD誘導バイアスを用いて計算し、得られるナノヘルツGWスペクトルがNANOGrav/PTAデータを説明できることを示し、アクシオン物理学および原始ブラックホール形成の可能性への接続を示す。

ABSTRACT

We study for the first time the gravitational waves generated during the collapse of domain walls, incorporating the potential bias in the lattice simulations. The final stages of domain wall collapse are crucial for the production of gravitational waves, but have remained unexplored due to computational difficulties. As a significant application of this new result, we show that the observed NANOGrav, EPTA, PPTA, and CPTA data, which indicate stochastic gravitational waves in the nanohertz regime, can be attributed to axion domain walls coupled to QCD. In our model, non-perturbative effects of QCD induce a temperature-dependent bias around the QCD crossover, inducing the rapid collapse of the domain walls. We use sophisticated lattice simulations that account for the temperature-dependent bias to measure the gravitational waves resulting from the domain wall annihilation. We also discuss the future prospects for accelerator-based searches for the axion and the potential for the formation and detection of primordial black holes.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えるシナリオにおけるドメイン壁崩壊で生じる重力波を動機づけ、研究する。
• ドメイン壁消滅の格子シミュレーションに、QCD効果からの温度依存バイアスを組み込む。
• 得られる重力波スペクトルを予測し、NANOGrav、EPTA、PPTA、CPTAデータと比較する。
• QCD結合アクシオン、加速器実験による探査、及び原始ブラックホール形成の可能性との関連を探る。

提案手法

• コサイン型の周期ポテンシャルと張力σを持つドメイン壁をモデル化する。
• T_QCD付近で縮退を解消し急速なDW崩壊を誘発する、温度依存のQCD誘導バイアスを導入する。
• 偏りを時間依存とするphi^4理論の4096^3格子シミュレーションを実施し、後期のDW消滅を捕捉する。
• T_eqでのマッチングを用いてH(T_eq)とchi(T_eq)を介してシミュレーション出力を物理パラメータに関連付ける。
• DW消滅からの現在の日付の重力波スペクトルを推定し、遅延とバイアス効果を含めてピーク周波数f_peakおよびピークエネルギーOmega_GW,0^peakを算出する。
• 非瞬時崩壊とスケーリングレジーム補正を考慮するため、C_fおよびC_Omegaの因子を用いてf_peakとOmega_GW,0^peakを数値結果からフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCDと結合したアクシオンドメイン壁が、パルサータイミングアレイで検出可能なナノヘルツ領域の確率的重力波背景を生じさせるだろうか。
• RQ2 温度依存のQCDバイアスは、崩壊のタイミングと得られるGWスペクトルに、定常バイアスモデルと比べてどう影響するか。
• RQ3 NANOGrav規模の信号を説明するアクシオン質量と崩壊定数のパラメータ空間(n_g, nを含む)はどこで、実験的含意は何か。
• RQ4 DW崩壊は観測可能な原始ブラックホール(PBH)を生むか、アクシオン探索に関連する現象論的結果は何か。

主な発見

• 温度依存バイアスを伴うDW崩壊からのGWスペクトルは、σ ~ 10^14–10^16 GeV^3としてNANOGravおよび他のPTAデータに一致させられる。
• 偽真空エネルギーにより増幅された後期のDW衝突が重力波生成を支配し、スペクトルをスケーリングレジームの予測と異なる方向へ変える。
• 予測されるGWピークはナノヘルツ帯に位置し、QCDスケール付近で崩壊が起こると PTA 観測と一致する。
• NANOGrav結果を説明するアクシオンパラメータ空間は広く、今後の加速器実験で検証可能である。
• このシナリオはDW崩壊時期付近で原始ブラックホール形成の可能性も認める。