[論文レビュー] Gravitational Waves Produced by Domain Walls During Inflation

Haipeng An, Yang Chen|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ネットワークを形成しないままインフレーション中に形成されたドメインウォールから生じる確率的重力波背景を1000^3格子シミュレーションを用いて研究し、将来のGW検出器やCMB Bモードでの検知可能性を評価する経験的スペクトル式を導出する。PTA信号への潜在的関連も示唆。

ABSTRACT

We study the properties of the stochastic gravitational wave background (SGWB) produced by domain walls (DWs) during inflation without forming a network. We numerically simulate the DW production caused by a second-order phase transition and calculate the SGWB spectrum using a $1000 imes1000 imes1000$ lattice. We show that the SGWB can be observed directly by future terrestrial and spatial gravitational wave detectors and through the B-mode spectrum in CMB. This signal can also explain the common noise process observed by pulsar timing array experiments. With numerical simulations, we derive an empirical formula for the strength and qualitative features of the SGWB spectrum. The details of the SGWB spectrum also contain information about the later evolution of the universe.

研究の動機と目的

• インフレーション中にネットワークを形成せずに形成されるドメインウォールによって生成される重力波を動機づけ、調査する。
• インフレーション中に二次相転移を経験するサブスペクター領域場のtachyonic成長と非線形進化をシミュレートする。
• 結果として生じる重力波スペクトルを計算し、ピーク強度の経験的式を導出する。
• 地上・宇宙ベースのGW検 detectorsとCMB Bモード観測での信号検出可能性を評価し、パルサータイミングアレイ（PTA）との関連を議論する。

提案手法

• ディス de Sitterインフレーション中に二次相転移を経験するLandau-Ginzburgポテンシャルを用いたサブスペクター領域をモデル化する。
• DW形成の二つのシナリオを検討する：(A) インフレーション開始時の温度-triggered転移、(B) インフラーン-driven転移。
• 長波長モードのtachyonic成長と、その後の1000^3格子上での非線形古典格子進化を用いてドメインウォールを形成する。
• GWスペクトルをエネルギー動 rectorテンソルの横方向-透過部分と、kτ′≈−2付近の支配寄与を強調するカーネルを持つグリーン関数形式で計算する。
• 格子離散化を六次シンプレクティック積分器と格子改善射影で取り入れ、非物理的モードを抑制する。
• GWスペクトルのピークの半解析表現を導出し、ポストインフレーション膨張履歴（即時リヒーティング、MD、KD）に対する依存性を探る。

Figure 1: The evolutions of the root mean square of $\sigma$ for scenario (A) (green) and (B) (yellow). The dashed curves show the corresponding the temporary expectation of $\sigma$ . For both cases we use $H=10^{-4}M_{\rm pl}$ , $m=5\times 10^{-3}M_{\rm pl}$ . For (A) we have $\lambda=0.0625$ , $m

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション中に形成されネットワークを形成しないドメインウォールは、検出可能な確率的重力波背景を生成しうるか。
• RQ2 このようなドメインウォールによって生じるSGWBの形状とピーク強度はどのようで、インフレーションおよびポストインフレーションの進化にどう依存するか。
• RQ3 インフレーション由来のDW誘起SGWBの痕跡はCMB Bモードで観測可能か、または一般的なPTAノイズの説明に寄与するか。
• RQ4 インフレーション後の宇宙の進化はSGWBスペクトルにどのような影響を与えるか。
• RQ5 将来の観測でDW誘起SGWBを量子テンソルゆらぎと区別する方法は何か。

主な発見

• インフレーション時のネットワークを持たないドメインウォール由来のSGWBは、将来の地上・宇宙ベースのGW検出器およびCMB Bモードを介して直接観測可能である。
• インフレーション中に生成されたDWがシミュレーションでの GW生成を支配しており、観測信号は相転移から約4e-folds後に停止する。
• ピークGWエネルギー密度の経験式を導出し、ウォール厚さと赤方偏移履歴の依存性を符号化し、ピークをポストインフレーション膨張史に結びつける。
• 相転移とインフレーション終結の間のe-folds数N_cに依存して、信号はPTA感度域（N_c ≈ 40）、空間ベース検出器域（N_c ≈ 20−25）、地上検出器域（N_c ≈ 10）、CMB Bモード域（N_c ≈ 60）に入る可能性がある。
• このGW源によって誘導されるBモードスペクトルの形は、量子生成テンソルトスペクトルとは異なり、将来のCMB観測で識別可能となる。
• 本研究はSGWBスペクトルを後の宇宙の進化と関連付ける枠組みを提供し、NANOGravの共通ノイズ示唆との関連を探る。

Figure 2: Evolution of the $\sigma$ field in scenario (A) for $\ln a/a_{c}=1.3,2.3,3.3$ and $4.3$ , where the $x$ and $y$ axes show the comoving coordinates in the unit of $a_{c}^{-1}m_{\rm KZ}^{-1}$ , and the $z$ axis shows $\sigma/v$ . The parameters in the potential are the same as in Fig. 1 .