[論文レビュー] Implications of NANOGrav results and UV freeze-in in a fast-expanding Universe

Basabendu Barman, Amit Dutta Banik+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾ に従って赤方偏移する新しい場 φ によって駆動される急速膨張宇宙において、Z₄ 個性フェルミオン χ とスカラー φ を持つダークセクターを提案する。このモデルにより、UV 冻結インによるダークマター生成と、NANOGrav が検出可能な確率的重力波背景を生成する強い一次相転移の両方が可能となる。モデルは、12.5年分の NANOGrav シグナルと PLANCK のダークマター残存密度を同時に説明でき、n ≲ 4 かつ T_R ∼ O(100) MeV を要する。

ABSTRACT

Recent pulsar timing data reported by the NANOGrav collaboration indicates the existence of a stochastic gravitational wave (GW) background at a frequency $f\sim 10^{-8}~ m Hz$. We show that a dark sector consisting of a Standard Model (SM) gauge singlet fermion $χ$ and a singlet scalar $ϕ$, both charged under a $Z_4$ symmetry, is capable of generating such a low frequency GW via strong first order phase transition (SFOPT) through the modification of the standard cosmological history, where we assume faster-than-usual expansion at pre-BBN times driven by a new cosmological species $φ$ whose energy density red-shifts with the scale factor as $ρ_φ\propto a^{-\left(4+n ight)}$. Depending on the choice of the fast expansion parameters, reheat temperature and effective scale of the theory, it is also possible to address correct dark matter (DM) relic abundance via freeze-in. We show that a successful first order phase transition explaining NANOGrav results together with PLANCK observed DM abundance put bound on the fast expansion parameters requiring $n\lesssim 4$ to explain both.

研究の動機と目的

• 急速膨張宇宙における修正された宇宙論的枠組みで、観測された 10⁻⁸ Hz 前後の確率的重力波背景（NANOGrav 12.5年分のパulsar タイミングアレイ結果）と、妥当なダークマター生成メカニズムを同時に説明すること。
• 通常の宇宙論的歴史とは異なる、通常よりも速い膨張を示す宇宙において、強力な一次電弱相転移によって検出可能な重力波を生成する挑戦に応えること。
• 次元五のオペレーターによる UV 冻結インによるダークマター生成が、急速膨張によってどのように変化するかを調査し、観測されたダークマター密度と整合させるために必要な結合定数スケールと再熱温度を制約すること。
• NANOGrav の GW シグナルと PLANCK のダークマター残存密度の両方を同時に満たすための、急速膨張パラメータ（n, T_R）の整合性制約を導出すること。

提案手法

• Big Bang 核合成以前に、Hubble 膨張率が速くなるように、エネルギー密度が ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾ に従う新しい宇宙論的種々 φ を持つ修正された初期宇宙をモデル化する。
• 標準模型（SM）ゲージ単位のフェルミオン χ（DM 候補）とスカラー φ から成るダークセクターを導入し、両者を Z₄ 対称性で荷電させ、ローカルな SM 相互作用を持たせない。
• 次元五の有効オペレーター（例：(H†H)(χ̄χ)/Λ）を介して UV 冻結インによる χ の生成を実装し、観測された残存密度によってカットオフスケール Λ と結合強度を制約する。
• 修正された Hubble 背景における有効ポテンシャルとバブル壁の力学を用いて、スカラー φ の強力な一次相転移に起因する重力波シグナルを計算する。
• CosmoTransition パッケージを用いて、数値的に相転移の強度と GW スペクトルを評価し、NANOGrav 12.5年分のデータと 2σ の範囲で比較する。
• 観測された GW 振幅と PLANCK からのダークマター残存密度の両方を満たすために、n と T_R の制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾ に従う急速膨張宇宙において、強力な一次相転移によって 10⁻⁸ Hz 前後の NANOGrav 12.5年分の確率的重力波背景を説明できるか？
• RQ2 急速膨張は、ダークマターの凍結イン生成にどのように影響を及ぼすか？観測された残存密度と整合させるために必要な結合定数スケールと再熱温度は何か？
• RQ3 NANOGrav の GW シグナルと PLANCK のダークマター密度の両方を同時に満たすために、急速膨張パラメータ n と T_R に課される結合的制約は何か？
• RQ4 Z₄ 個性スカラー φ は、非標準的宇宙論的背景において強力な一次相転移を引き起こせるか？その結果得られる GW シグナルは、現在および将来の観測機器で検出可能か？
• RQ5 急速膨張宇宙において、UV 冻結インによる十分なダークマターを生成するための有効スケール Λ はどの程度必要か？標準的宇宙論と比較するとどうなるか？

主な発見

• 本モデルは、急速膨張宇宙における強力な一次相転移によって確率的重力波背景を生成することで、NANOGrav 12.5年分のパルサータイミングアレイデータを 2σ の信頼水準でうまく説明している。
• 観測されたダークマター残存密度（PLANCK によるもの）と NANOGrav の GW シグナルの両方を同時に満たすパラメータ空間が存在し、その条件として n ≲ 4 が必要となる。
• 急速膨張宇宙のシナリオにおいて、正しいダークマター密度を達成するには再熱温度 T_R ∼ O(100) MeV が必要であり、これは標準的宇宙論に比べて高い。
• 急速膨張宇宙では UV 冻結イン生成が顕著に抑制されるため、十分なダークマターを生成するには標準的状況とは逆に、より大きな有効スケール Λ ≳ 10¹⁰ GeV が必要となる。
• このシナリオでは、ポータル結合定数 λ_Hφ ≳ 0.1 であれば、検出可能な GW を生成するほど十分に強い相転移が実現可能であるが、標準的宇宙論でははるかに大きな結合定数が必要となる。
• 本モデルの UV 完成は、重いベクトル型レプトン（VLL）系に整合しており、M_ψ ≡ Λ のスケールで VLL を積分除去することで、UV 冻結インに必要な次元五のオペレーターが得られる。