[論文レビュー] Gravitational Waves from Supercool Axions

Luigi Delle Rose, Giuliano Panico+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 41被引用数 116

ひとこと要約

本論はQCDのアクシオンのPeccei–Quinn相転換を分析し、強い過冷却を伴う第1種相転換を示し、peakが100–1000 Hzのスペクトルを持つ確率的重力波を生成することを示唆します。これらはLIGOおよび将来の検出器で検出可能となる可能性があります。

ABSTRACT

We study the dynamics of the Peccei-Quinn (PQ) phase transition for the QCD axion. In weakly coupled models the transition is typically second order except in the region of parameters where the PQ symmetry is broken through the Coleman-Weinberg mechanism. In strongly coupled realizations the transition is often first order. We show examples where the phase transition leads to strong supercooling lowering the nucleation temperature and enhancing the stochastic gravitational wave signals. The models predict a frequency peak in the range 100-1000 Hz with an amplitude that is already within the sensitivity of LIGO and can be thoroughly tested with future gravitational wave interferometers.

研究の動機と目的

• Peccei–Quinn相転換の性質をさまざまなアクシオンモデルで調査する。
• PQ転移が第1種で強い過冷却が可能かを判定する。
• 現在および将来の干渉計での検出可能性とともに、結果としての重力波信号を予測する。
• 弱結合(素粒子)および強結合(組成)アクシオンのシナリオを探る。
• 転換後の再加熱と宇宙論的制約への影響を評価する。

提案手法

• 素粒子アクシオンモデルにおけるKSVZ型および放射域PQ破れシナリオを分析する。
• Coleman–Weinberg寄与と熱補正を含む有限温度有効ポテンシャルを計算する。
• 超冷却領域を確立するために、bounceアクションS3/Tと核化温度Tnを評価する。
• バブル衝突からの重力波スペクトルを導出し、ピーク周波数をモデルパラメータに関連付ける。
• RG改善ポテンシャルとゲージ/四次の支配的ダイナミクスを調べる。
• ゲージ理論および共形セクターからの組成アクシオンへ議論を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 さまざまなアクシオン実現においてPQ相転換は第一種か第二種かをどの条件で決定できるか。
• RQ2 過冷却が核化温度と得られる重力波信号にどう影響するか。
• RQ3 これらのシナリオで予測される特徴的なGW周波数と振幅の範囲は何か、LIGO/ETの到達範囲内か。
• RQ4 弱結合の素粒子アクシオンと組成/強結合アクシオンを、相転換の動力学とGW産生の観点から比較するとどうなるか。

主な発見

• 重力波スペクトルの周波数ピークは100–1000 Hzの範囲で予測される。
• 予測されるGW振幅は現在のLIGOの感度範囲内であり、将来の検出器であるEinstein Telescopeで検出可能性がある。
• 強い過冷却は相転換を長引かせ、バブル衝突の寄与を増大させることでGW信号を強化する。
• 弱結合のKSVZ様モデルではPQ転換は通常第2種であり、放射/Coleman–Weinberg機構が第一種を誘発しない限りそうなる。
• 組成/強結合アクシオンのシナリオではPQ転換が第一種となり得るが、核化は急速に進み、過冷却が小さくなるためGW信号は比較的抑制される。