[論文レビュー] Novel Physics with International Pulsar Timing Array: Axionlike Particles, Domain Walls and Cosmic Strings

Deng Wang|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、国際パルサー時刻測定アレイ（IPTA）データリリース2を用いて、標準模型を超える軽い新物理、特にアクシオン様粒子、ドメインウォール、宇宙ひもを制約する。宇宙ひもの張力に対して強い制約（95%信頼区間で log₁₀ Gμ = −8.93⁺⁰.¹²₋₀.₀₆）が得られ、NANOGravが支持するアクシオンモデルは2σ以上で除外される。また、IPTAデータは共通のパワーロー法則モデル（CPL）がアクシオンやドメインウォールモデルよりもやや優位であるが、現在のデータでは宇宙ひもモデルと区別できないことが示された。

ABSTRACT

After NANOGrav, the IPTA collaboration also reports a strong evidence of a stochastic gravitation wave background. This hint has very important implications for fundamental physics. With the recent IPTA data release two, we attempt to search signals of light new physics. and give new constraints on the audible axion, domain walls and cosmic strings models. We find that the best fit point corresponding to a decay constant $F\approx5 imes10^{17}$ GeV and an axion mass $m_a\approx2 imes10^{-13}$ eV from NANOGrav data is ruled out by IPTA at beyond $2σ$ confidence level. Fixing the coupling strength $λ=1$, we obtain a $2σ$ lower bound on the breaking scale of $Z_2$ symmetry $η>135$ TeV. Interestingly, we give a very strong restriction on the cosmic-string tension $\mathrm{log}_{10}\,Gμ=-8.93_{-0.06}^{+0.12}$ at $1σ$ confidence level. Employing the rule of Bayes factor, we find that IPTA data has a moderate, strong and inconclusive preference of an uncorrelated common power-law (CPL) model over audible axion, domain walls and cosmic strings, respectively. This means that it is hard to distinguish CPL from cosmic strings with current observations and more pulsar timing data with high precision are required to give new clues of underlying physics.

研究の動機と目的

• NANOGravとIPTAが検出したステーショナリィな重力波背景（SGWB）信号が、標準模型を超える軽い新物理によって説明可能かどうかを検証すること。
• 高精度なIPTA DR2パルサー時刻測定データを用いて、新物理の特定のモデル（アクシオン様粒子、ドメインウォール、宇宙ひも）を制約すること。
• 異なるSGWBモデル（CPL、アクシオン、ドメインウォール、宇宙ひも）のベイズ的証拠を比較し、どれがデータに最も適しているかを評価すること。
• IPTAが検出する信号が既知の天体物理学的要因に起因するのか、あるいは大統一理論の文脈で特に注目される新物理を示唆するのかを特定すること。

提案手法

• 本研究は、65個のパルサーからの時刻ずれを含むIPTAデータリリース2を用い、低周波数のステーショナリィな重力波背景を分析する。
• ベイズ推論を用い、ベイズ因子（ジェフリーズの尺度）を用いて、共通のパワーロー法則（CPL）、聴覚可能なアクシオン、ドメインウォール、宇宙ひもという4つのモデルの証拠を比較する。
• 各新物理の状況において、重力波エネルギー密度スペクトル ΩGW(f)h² をモデル化し、アクシオンの崩壊定数F、Z₂対称性の破れスケールη、宇宙ひもの張力Gμといった主要パラメータを扱う。
• アクシオン様粒子の場合、tachyonic不安定性機構を用い、ダークフォトン場への結合によって重力波を生成するモデルを採用し、スペクトルはFとmaに依存する。
• ドメインウォールの場合、Z₂対称性の破れスケールηと結合強度λを仮定し、ウォールの振動から生じる重力波放射をモデル化する。
• 宇宙ひもについては、ループ生成と崩壊のフレームワークを用い、パrameter α（ループサイズ）とGμ（ひもの張力）を導出し、ひものネットワークのエネルギー損失に基づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IPTAが検出するステーショナリィな重力波背景は、アクシオン様粒子によって説明可能か？ その場合、崩壊定数Fと質量maにどのような制約が得られるか？
• RQ2 結合強度λ = 1を仮定した場合、ドメインウォールモデルにおけるZ₂対称性の破れスケールηにどのような制約が得られるか？
• RQ3 IPTA DR2データを用いて、宇宙ひもの張力Gμとループサイズパラメータαはどの程度厳密に制約できるか？
• RQ4 ベイズ的証拠に基づくと、共通のパワーロー法則（CPL）モデルは、アクシオン様粒子、ドメインウォール、または宇宙ひもモデルよりも統計的に優位であるか？
• RQ5 現在のIPTAデータでは、CPLモデルと宇宙ひも起源のSGWBを区別できるか？

主な発見

• NANOGravが支持する最良適合のアクシオンモデル（F ≈ 5×10¹⁷ GeV、ma ≈ 2×10⁻¹³ eV）は、IPTAによって2σ以上で除外される。
• λ = 1の下で、Z₂対称性の破れスケールに対して95%信頼区間で下限が得られ、η > 135 TeV となる。
• 宇宙ひもの張力は、95%信頼区間で log₁₀ Gμ = −8.93⁺⁰.¹²₋₀.₀₆ に制約され、非常にきびしい制約であることが示された。
• 自発的U(1)対称性の破れスケールは、s ∼ [1.01, 1.24]×10¹⁵ GeV に制約され、大統一理論との関連が示唆された。
• ベイズ的証拠により、CPLモデルはドメインウォールモデルよりも強く支持され、アクシオン様粒子モデルよりも中程度の支持を得たが、CPLモデルと宇宙ひもモデルの間には統計的差異は認められなかった。
• CPLモデルと宇宙ひもモデルの区別不能性は、より高精度なパルサー時刻測定データが必要であることを示唆している。