[論文レビュー] NANOGrav signal and LIGO-Virgo Primordial Black Holes from Higgs inflation

Zhu Yi, Zong‐Hong Zhu|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、非正則な運動項を伴うヒッグスインフレーションの時期におけるヒッグス場から、NANOGravの低周波数重力波信号とLIGO-Virgoが検出した恒星質量の原始ブラックホールの両方が生じると提案している。このモデルから生じるスカラー誘導重力波は、宇宙望遠鏡によって検出可能であり、一貫したインフレーション枠組みの中で両方の天体物理学的信号の統一的起源を提供する。

ABSTRACT

We show that the NANOGrav signal can come from the Higgs inflation with a noncanonical kinetic term in terms of the scalar induced gravitational waves. The scalar induced gravitational waves generated in our model are also detectable by space based gravitational wave observatories. Primordial black holes with stellar masses that can explain LIGO-Virgo events are also produced. Therefore, the NANOGrav signal and the BHs in LIGO-Virgo events may both originate from the Higgs field.

研究の動機と目的

• NANOGravの低周波数重力波信号が、非正則な運動項を伴うヒッグスインフレーションによって説明可能かどうかを検討すること。
• このモデルにおけるスカラー誘導重力波の生成と、宇宙望遠鏡による検出可能性を調査すること。
• 同じインフレーション状況が、LIGO-Virgoの観測と一致する恒星質量の原始ブラックホールを生成可能かどうかを特定すること。
• NANOGravとLIGO-Virgoの両方の別々の天体物理学的信号の起源を、単一のヒッグスに基づくインフレーションフレームワーク内で統一すること。

提案手法

• インフレーション期におけるスカラー場のダイナミクスを修正するため、ヒッグスインフレーションモデルに非正則な運動項を導入すること。
• 修正された作用を用いて、インフレーション期に生成されたスカラー誘導重力波のスペクトルを計算すること。
• 非正則な運動項によって誘導される非ガウス型フラクチュエーションから生じる原始ブラックホール生成率を計算すること。
• 得られた重力波およびブラックホールスペクトルを、NANOGravおよびLIGO-Virgoの観測データと比較すること。
• CMBおよびBBNからの制約を適用し、既存の宇宙論的観測と整合性があるかを確認すること。
• 将来の宇宙望遠鏡による重力波検出可能性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NANOGrav信号は、非正則な運動項を伴うヒッグスインフレーションから生じるスカラー誘導重力波によって説明可能か？
• RQ2 このモデルにおけるスカラー誘導重力波は、LISAなどの宇宙望遠鏡によって検出可能か？
• RQ3 インフレーション期におけるヒッグス場の非ガウス型フラクチュエーションは、LIGO-Virgoの観測と一致する質量の原始ブラックホールの形成を引き起こすか？
• RQ4 NANOGrav信号とLIGO-Virgoブラックホール事象の両方を同時に説明できる単一のインフレーション機構は存在するか？
• RQ5 このモデルが他の説明と区別される観測的シグナチャーは何か？

主な発見

• NANOGravの低周波数重力波信号は、非正則な運動項を伴うヒッグスインフレーションから生じるスカラー誘導重力波によって説明可能である。
• このモデルで生成されるスカラー誘導重力波は、LISAなどの将来的な宇宙望遠鏡の感度帯域内にある。
• このシナリオでは恒星質量の原始ブラックホールが生成され、LIGO-Virgoの合体事象で観測された質量範囲と一致する。
• このモデルは、同じヒッグス場ダイナミクスを通じて、NANOGrav信号とLIGO-Virgoのブラックホール検出の両方の統一的起源を提供する。
• 非正則な運動項により、検出可能な重力波と大質量の原始ブラックホールを両方生成するのに必要な非ガウス型フラクチュエーションが実現される。