[論文レビュー] Imprints of Early Universe on Gravitational Waves from First-Order Phase Transition in QCD

Mengwei Li, Yi Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、光重クォークおよび重クォークのためのホログラフィックモデルを用いて、QCDにおける一次相転移による重力波（GW）の痕跡を調査する。その結果、高い化学ポテンシャルおよび短い遷移時間を持つ場合、走破および爆発的前進の前線からのGWは、EPTA/IPTA、SKA、eLISAで検出可能である可能性があるが、炎上的前進の場合は現在の機器では検出不能であることが示された。

ABSTRACT

We study the gravitational wave spectrum from the confinement-deconfinement phase transi-tion in the holographic QCD models for both light quark and heavy quark. We obtain the gravitationalwave spectrum in the deflagration, detonation and runaway cases for different chemical potentials and duration of the phase transition. We find that the gravitational wave spectrum could be observed by EPTA/IPTA and eLISA for large chemical potential and short duartion of phase transtions.

研究の動機と目的

• 初期宇宙におけるQCDの閉じ込め・脱閉じ込め相転移の間に発生する重力波（GW）の生成を、ホログラフィックQCDアプローチを用いてモデル化すること。
• 走破、爆発的前進、炎上的前進の3種類のバブル壁速度がGWスペクトルに与える影響を検討すること。
• さまざまな化学ポテンシャルおよび遷移時間における、軽クォークおよび重クォーク系からのGWの検出可能性を評価すること。
• 提案された検出器（eLISA、EPTA/IPTA、SKA）の感度曲線と、GWエネルギー密度を比較すること。

提案手法

• 光重クォークおよび重クォークの両方の閉じ込め・脱閉じ込め転移を記述するために、ホログラフィックQCDモデルを採用した。
• バブル衝突、音響波、MHD乱流の3つの源からのGWエネルギー密度寄与を計算した。
• バブル壁速度に基づき、相転移ダイナミクスを分類した：走破（vb ≈ c）、爆発的前進（cs < vb < c）、炎上的前進（vb ≤ cs）。
• 数値フィッティング式を用いて、さまざまな化学ポテンシャル（μ）および遷移時間（τ）におけるGWスペクトルを算出した。
• 得られたGWエネルギー密度スペクトルを、現在および将来の検出器のノイズ曲線と比較した：LISA/eLISA（10⁻¹–10⁻⁵ Hz）およびEPTA/IPTA/SKA（10⁻⁶–10⁻⁹ Hz）。
• τを0.1H*から10H*に変化させ、持続時間依存性を検討した。短い持続時間でGW振幅が顕著に増幅されることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホログラフィックモデルにおける軽クォーク系と重クォーク系のQCD相転移からのGWスペクトルには、どのような相違があるか？
• RQ2 さまざまな相転移領域において、バブル衝突、音響波、MHD乱流が合計GWエネルギー密度に与える相対的寄与は何か？
• RQ3 化学ポテンシャルの増加が、QCD相転移に伴うGWの検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 相転移持続時間（τ）が、得られるGW信号の振幅および検出可能性に与える影響は何か？
• RQ5 現行および将来のGW検出器（eLISA、EPTA/IPTA、SKA）の中で、現実的なパrameter設定下でQCD相転移からのGWを検出可能なのはどれか？

主な発見

• 走破の場合は、主にバブル衝突がGWの主要寄与を占め、EPTA/IPTA/SKAおよびLISAによる検出可能なスペクトルが得られる。
• μ = 0.1 GeVおよびτ = H*の重クォーク系では、走破の状況下でEPTA/IPTA/SKAおよびLISAによるGWスペクトルの検出が可能である。
• 爆発的前進の場合は、重クォークからのGWはIPTA/SKAで検出可能であり、EPTAでも可能性があるが、軽クォークのスペクトルはSKAのノイズ曲線に僅かに上回る程度である。
• 炎上的前進の場合は、化学ポテンシャルにかかわらず、いかなる現在提案されている検出器でも、軽クォークおよび重クォークからのGWスペクトルは検出不能である。
• 相転移持続時間をτ = 0.1H*に短縮すると、GWエネルギー密度が顕著に増幅され、走破の状況ではeLISAで、爆発的前進の状況ではEPTA/IPTA/SKAで信号の検出が可能になる。
• 化学ポテンシャルの増加はGWエネルギー密度を低下させ、特に炎上的前進および爆発的前進の領域では信号の検出が難しくなる。