[論文レビュー] NANOGrav and PPTA Tension: Gravity Waves, Cosmic Strings, and Inflation

G. Lazarides, Rinku Maji+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、原始的インフレーションが宇宙ひもが遅れてホライズンに戻ることで高周波数の重力波が抑制されることを提案し、NANOGravが報告する宇宙ひもの張力（$G\mu \sim 2\times10^{-11}-3\times10^{-10}$）とPPTAの上限（$G\mu \lesssim 4\times10^{-11}$）の間にある矛盾を解消する。このメカニズムにより、ゲージシングレットスカラー場とコールム・ワインバーグ型ポテンシャルを持つ現実的な$SO(10)$モデル内で、両データセットを整合的に説明できる。

ABSTRACT

The NANOGrav collaboration has recently presented its pulsar timing array data which seem compatible with the presence of a stochastic gravity wave background emitted by cosmic strings with a dimensionless string tension $G\mu\simeq 2 imes 10^{-11}-3 imes 10^{-10}$ at $95\%$ confidence level ($G$ is Newton's constant and $\mu$ denotes the string tension). However, there is some tension between these results and the previous pulsar timing array bound $G\mu\lesssim 4 imes 10^{-11}$ from the PPTA experiment. We propose a relaxation of this tension by invoking primordial inflation which partially inflates the string network. The latter re-enters the horizon at later times after the end of inflation, and thus the short string loops are not produced. This leads to a reduction of the gravity wave spectrum which is more pronounced at higher frequencies. The reconciliation of the NANOGrav results with the PPTA bound is possible provided that the strings re-enter the horizon at adequately late times. We consider an example of a realistic $SO(10)$ model incorporating successful inflation driven by a gauge singlet real scalar field with a Coleman-Weinberg potential. This model leads to the production of intermediate scale topologically stable cosmic strings that survive inflation. We show regions of the parameter space where the tension between NANOGrav and PPTA is alleviated. Finally, we present an example in which both monopoles and strings survive inflation with the above tension resolved.

研究の動機と目的

• NANOGravの高い宇宙ひも張力の推定値とPPTAのきつい上限との間の不一致を解消すること。
• 原始的インフレーションが、ホライズン再進入を遅らせることで、宇宙ひもからの重力波スペクトルをどのように変化させるかを調査すること。
• インフレーション後に安定したトポロジカルな宇宙ひもを残す現実的な$SO(10)$モデルを構築し、ゲージシングレットスカラー場とコールム・ワインバーグ型ポテンシャルを用いること。
• 遅い再進入効果によってNANOGrav–PPTAの矛盾がどのように緩和されるかを示すパラメータ空間の領域を特定すること。
• インフレーション後にモノポールとひもが両方生存するモデルに拡張し、観測的制約と整合的であることを保証すること。

提案手法

• インフレーション終了後に再びホライズンに戻る宇宙ひもネットワークをモデル化し、高周波数の重力波放射を低減すること。
• ゲージシングレットスカラー場のコールム・ワインバーグ型ポテンシャルを用いてインフレーションを駆動し、中間スケールの宇宙ひもを生成すること。
• 遅いホライズン再進入の条件下で、宇宙ひもからの重力波スペクトルを計算し、高周波数成分の抑制を実現すること。
• 修正されたスペクトルのもとで、NANOGravおよびPPTAのパルサー計時アレイデータを用いて、張力$G\mu$を制約すること。
• $SO(10)$モデルのパラメータ空間をマッピングし、NANOGravの信号とPPTAの上限の両方に整合する領域を同定すること。
• インフレーション後に生存するトポロジカルな欠陥（モノポールやひも）を含むモデルに拡張し、解決された矛盾と整合的であることを保証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙ひもからの重力波スペクトルを、ホライズン再進入を遅らせることで変更することで、NANOGravとPPTAの観測結果の間にある矛盾を解消できるか？
• RQ2 2つの実験を整合させるのに十分な高周波数重力波を抑制するには、インフレーションダイナミクスにどのような条件が必要か？
• RQ3 ゲージシングレットスカラー場とコールム・ワインバーグ型ポテンシャルを持つ現実的な$SO(10)$モデルは、インフレーション後に生存する宇宙ひもを支持し、両データセットと整合するスペクトルを生成できるか？
• RQ4 ホライズン再進入のタイミングは、宇宙ひもからの重力波の検出可能性とスペクトル形状にどのように影響するか？
• RQ5 モノポールと宇宙ひもが両方インフレーション後に生存する一貫したモデルで、NANOGrav–PPTAの矛盾を解消できるか？

主な発見

• 宇宙ひもの遅いホライズン再進入により、高周波数領域の重力波スペクトルが抑制され、パルサー計時アレイから推定される有効な張力$G\mu$が低減する。
• 宇宙ひもがインフレーション後に十分に遅れてホライズンに戻ることで、NANOGravの信号とPPTAの上限が整合する。
• ゲージシングレットスカラー場とコールム・ワインバーグ型ポテンシャルを持つ現実的な$SO(10)$モデルは、中間スケールの宇宙ひもを生成し、インフレーション後に生存し、観測された矛盾の解消と整合的である。
• このモデルは、遅い再進入による抑制を考慮した後、NANOGravから推定される$G\mu$がPPTAの上限内に収まるパラメータ空間の特定の領域を同定している。
• インフレーション後にモノポールとひもが両方生存するモデルへの拡張は、解決された矛盾と整合的であり、このメカニズムの頑健さを示している。