[論文レビュー] High-Energy Physics with Gravitational-Wave Experiments

Michele Maggiore|ArXiv.org|Mar 7, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、重力波実験が非常に高いエネルギースケール、特に 대통一理論や量子重力の分野を調べる可能性を検討する。リリック重力波背景の分析を通じて、LIGO や Virgo のような高度な干渉計が、初期宇宙からの確率的信号を検出可能であると主張している。検出感度は、10^7–10^10 GeV の温度範囲にまで及び、インフレーションモデルや検出器の構成に応じてそれ以上にも及ぶ可能性がある。

ABSTRACT

We discuss the possible relevance of gravitational-wave (GW) experiments for physics at very high energy. We examine whether, from the experience gained with the computations of various specific relic GW backgrounds, we can extract statements and order of magnitude estimates that are as much as possible model-independent, and we try to distinguish between general conclusions and results related to specific cosmological mechanisms. We examine the statement that the Virgo/LIGO experiments probe the Universe at temperatures $T\sim 10^{7}-10^{10}$ GeV (or timescales $t\sim 10^{-20}-10^{-26}$ sec) and we consider the possibility that they could actually probe the Universe at much higher energy scales, including the typical scales of grand unification, string theory and quantum gravity. We consider possible scenarios, depending on how the inflationary paradigm is implemented. We discuss the prospects for detection with present and planned experiments. In particular, a second Virgo interferometer correlated with the planned one, and located within a few tens of kilometers from the first, could reach an interesting sensitivity for stochastic GWs of cosmological origin.

研究の動機と目的

• 重力波実験が 대통일理論や量子重力に関連するエネルギースケールにまで到達できる範囲を評価すること。
• 現在のおよび計画中の干渉計検出器が、10^{-26} 秒という極めて短い時間にまでさかのぼる初期宇宙の熱的歴史にアクセスできるかどうかを特定すること。
• リリック重力波背景のモデルに依存しない意味が、高エネルギー物理学の現象論に与える影響を評価すること。
• 相関した干渉計ネットワーク（例：二重 Virgo）が、宇宙論的起源の確率的重力波背景に対してどれほど感度を持つのかを検討すること。
• 一般の重力波生成メカニズムと、特定の宇宙論的メカニズムやインフレーションの枠組みに依存する特徴を区別すること。

提案手法

• さまざまな宇宙論的時代にわたる、多様なリリック重力波背景の理論的計算を分析する。
• 数量オーダーの推定を用いて、重力波実験が探査するエネルギースケールに関するモデルに依存しない結論を抽出する。
• インフレーションモデルが初期重力波の振幅とスペクトルに与える影響を検討する。
• 第二世代干渉計（LIGO/Virgo）の検出感度を、検出器の構成と基準長に応じて評価する。
• 確率的背景検出の形式的枠組みを用いて、相転移や量子重力効果からの信号観測の可能性を評価する。
• 理論的予測を観測的制約と、計画中の検出器の予想される感度と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力波実験は、電弱スケールを超えるエネルギースケール、特に 대통일理論や量子重力に関連するスケールまでどの程度探査できるか。
• RQ2 現在のおよび計画中の干渉計重力波検出器が、初期宇宙においてどのくらい短い時間（最小で）探査可能か。
• RQ3 インフレーションの枠組みの実装が、初期重力波の検出可能性にどのように影響するか。
• RQ4 近接して配置された干渉計ネットワーク（例：二つの Virgo 検出器）が、確率的重力波背景に対する感度を顕著に向上させ得るか。
• RQ5 リリック重力波スペクトルのどの特徴がモデルに依存せず一貫しており、どの特徴が特定の宇宙論的メカニズムに依存するか。

主な発見

• Virgo および LIGO 実験は、10^7–10^10 GeV の温度範囲、つまり 10^{-20} から 10^{-26} 秒の時間スケールの初期宇宙を探査可能である。
• 最初の検出器と相関した、近くに配置された第二の Virgo 干渉計があれば、宇宙論的起源の確率的重力波背景に対する感度が顕著に向上する可能性がある。
• 有利な条件下では、重力波実験が 대통일理論や量子重力のスケールに近いエネルギースケールを、インフレーションモデルに依存して探査可能であると示唆している。
• リリック重力波背景は、モデルに依存しない高エネルギー物理学への窓を提供し、相転移や量子重力効果に起因する検出可能なシグナルが得られる可能性がある。
• 初期宇宙のダイナミクスの一般的な特徴を考慮すれば、理論的推定における確率的背景の振幅は、モデルの変動に対して頑健である。
• 確率的背景の検出は、素粒子加速器が到達できない極めて高いエネルギースケールにおける物理学の直接的証拠を提供する。