[論文レビュー] Nano-Hertz gravitational waves from collapsing domain walls associated with freeze-in dark matter in light of pulsar timing array observations

Zhao Zhang, Chengfeng Cai+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Superconducting and THz Device TechnologyPhysics and Astronomy参考文献 126被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、放射的に誘導される $Z_2$-破れのポテンシャルによって引き起こされる崩壊するドメインウォールからのナノヘルツ重力波が、パルサー計時アレイ（PTA）観測を説明する統一モデルを提案する。同様に、弱く結合するフェルミオン場が、フリーズインメカニズムによってダークマターを生成する。このモデルは、$y_\chi \sim 10^{-10}$、$m_\chi \sim 0.17-7.5$ GeV、$m_s \sim 8.1\times10^4 - 10^6$ GeV の条件下で、NANOGrav の重力波信号と観測されたダークマターの残存密度を同時に適合させる。

ABSTRACT

Evidence for a stochastic gravitational wave background in the nHz frequency band is recently reported by four pulsar timing array collaborations NANOGrav, EPTA, CPTA, and PPTA. It can be interpreted by gravitational waves from collapsing domain walls in the early universe. We assume such domain walls arising from the spontaneous breaking of a $Z_2$ symmetry in a scalar field theory, where a tiny $Z_2$-violating potential is required to make domain walls unstable. We propose that this $Z_2$-violating potential is radiatively induced by a feeble Yukawa coupling between the scalar field and a fermion field, which is also responsible for dark matter production via the freeze-in mechanism. Combining the pulsar timing array data and the observed dark matter relic density, we find that the model parameters can be narrowed down to small ranges.

研究の動機と目的

• ナノヘルツ帯域の確率的重力波背景（SGWB）の最近のPTA観測を、崩壊するドメインウォールに由来する宇宙論的起源と一致させる。
• 弱く相互作用するフェルミオンを用いて、フリーズインメカニズムにより観測されたダークマターの残存密度を説明する。
• ドメインウォール崩壊に必要な $Z_2$-破れポテンシャルと、同じヤコビアン結合によってダークマター生成が引き起こされる動的リンクを構築する。
• PTA 重力波データと測定されたダークマター豊度を用いてモデルパラメータを制約し、宇宙論的整合性を保証する。

提案手法

• 初期宇宙における自発的 $Z_2$ 対称性の破れによってドメインウォールが形成される実スカラー場 $S$ を導入する。
• フェルミオン $\chi$ と $S$ 間のヤコビアン結合 $y_\chi$ を介して、1ループレベルで誘導される微小な $Z_2$-破れポテンシャルを含め、ドメインウォールの不安定化を促進する。
• フェルミオン $\chi$ を、1ループ誘導された $\kappa_1$ 項から得られる、弱く相互作用する巨大粒子（FIMP）としてモデル化し、その残存密度を計算する。
• 誘導された $Z_2$-破れポテンシャルから得られるエネルギー密度とウォール崩壊の力学を用いて、崩壊するドメインウォールからの重力波スペクトルを計算する。
• NANOGrav および EPTA データからのベイズ的事後分布を用いて、重力波の振幅と周波数を制約し、予測された $\Omega_{\rm GW}^{\rm peak}$ と比較する。
• ビッグバン核合成（BBN）およびドメインウォールの過剰閉じ込めを制約として用い、妥当なパラメータ空間を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射的に誘導された $Z_2$-破れポテンシャルを持つ $Z_2$ 対称性のスカラー場理論から生じるドメインウォール崩壊によって、パルサー計時アレイで観測されたナノヘルツ帯域の確率的重力波背景を説明できるか？
• RQ2 同じ基本的物理、特に1つのヤコビアン結合を用いて、観測されたダークマターの残存密度と PTA 重力波信号の両方を同時に説明できるか？
• RQ3 PTA 重力波データと測定されたダークマター豊度を満たす、ヤコビアン結合 $y_\chi$、フェルミオン質量 $m_\chi$、スカラー質量 $m_s$ の許容範囲は何か？
• RQ4 特にドメインウォールの過剰閉じ込めと BBN に起因する宇宙論的制約は、このモデルの妥当なパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ5 ドメインウォール崩壊に必要な微小な $Z_2$-破れポテンシャルが、弱いヤコビアン結合によって1ループレベルで自然に生成可能か？

主な発見

• このモデルは、ナノヘルツ帯域の確率的重力波背景を、崩壊するドメインウォールから説明でき、NANOGrav および EPTA の観測と一致する。
• 必要な $Z_2$-破れポテンシャルは、$y_\chi \sim 10^{-10}$ のヤコビアン結合によって1ループレベルで自然に生成され、ダークマターのフリーズインメカニズムと整合的である。
• 質量 $m_\chi \sim 0.17-7.5$ GeV で、結合定数 $y_\chi \in (4.6\times10^{-10}, 8.7\times10^{-10})$ のフェルミオン $\chi$ は、観測されたダークマターの残存密度 $\Omega_\chi h^2 = 0.12$ を再現できる。
• スカラー質量は $m_s \in (8.1\times10^4, 10^6)$ GeV（$\lambda_S = 0.2$ の場合）に制限され、宇宙の過剰閉じ込めが起こる前にドメインウォールが崩壊することが保証される。
• NANOGrav の95%信用区間が重なるパラメータ領域は、ダークマターの残存密度制約とも重なり、その交差は $y_\chi \in (4.6\times10^{-10}, 8.7\times10^{-10})$ のみで発生する。これはきわめて狭いが実現可能な窓であることを示している。
• BBN およびドメインウォールの過剰閉じ込めに起因する宇宙論的制約は、NANOGrav の95%信用領域を除外せず、モデルの妥当性を確認している。