[論文レビュー] On detection of extra dimensions with gravitational waves from cosmic strings

Eimear O’Callaghan, Ghazal Geshnizjani+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、大規模な追加次元を伴うモデルにおけるブレインインフレーションの過程で生成される宇宙ひもからの重力波が、追加次元の検出可能なシグネチャーモデルである可能性を提案している。宇宙ひものカスプおよびキンクから生じる確率的重力波背景を分析することで、本研究は、将来的な宇宙望遠鏡型干渉計（例：LISA）がこれらの信号を観測可能であることを示しており、これにより追加次元および超弦理論の直接的証拠が得られる可能性がある。

ABSTRACT

The notion that nature might have extra dimensions has been with us for some time, but only recently have we revisited it with a view to obtaining direct observational or experimental consequences. The idea of Large Extra Dimensions (LED’s), [1], has given new possibilities both for compactifying nature’s extra dimensions, as well as allowing a much richer gravitational phenomenology. In particular, brane inflation [2] uses ideas from string theory, with inflation driven by the motion of a brane on some stabilised internal manifold, [3]. A key side effect of brane inflation is the formation of cosmic strings, [4, 5] as a by product of brane annihilation (for reviews see [6]), and can have a wide range of physical parameters and properties. The observation of such cosmic strings would therefore provide direct evidence for string theory, as well as giving us valuable information on inflation and the early universe.

研究の動機と目的

• 大規模な追加次元（LED）の観測的証拠として、宇宙ひもからの重力波が役立つかどうかを調査すること。
• ブレインインフレーションがブレインの消失に伴い発生する宇宙ひもの生成における役割を検討すること。
• LISAなどの将来的な宇宙望遠鏡型観測機器によるこれらの重力波信号の検出可能性を評価すること。
• 宇宙ひもの観測が、超弦理論および初期宇宙宇宙論に及ぼす広範な意味を関連付けること。

提案手法

• 高次元時空における相対論的場の理論を用いて、宇宙ひものカスプおよびキンクからの重力波放射をモデル化すること。
• 有効場理論の形式を用いて、大規模な追加次元の文脈における宇宙ひもの力学を記述すること。
• LEDモデルにおける宇宙ひものネットワークが生成する確率的重力波背景のパワースペクトルを計算すること。
• 予想される歪み感度曲線に基づき、LISAなどの宇宙望遠鏡型干渉計による信号対雑音比を推定すること。
• 予測された重力波振幅を現在および将来的な観測限界と比較し、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 大規模な追加次元モデルにおける宇宙ひもからの重力波は、将来的な宇宙望遠鏡型観測機器によって検出可能か？
• RQ2 宇宙ひものカスプおよびキンクから生じる確率的重力波背景の期待振幅および周波数スペクトルは何か？
• RQ3 LEDモデルにおける宇宙ひもの性質は、通常の4次元重力理論におけるそれらとどのように異なるか？
• RQ4 このような信号の検出が、追加次元のスケールやブレインインフレーション機構をどれほど制限できるか？
• RQ5 LED由来の宇宙ひも信号を他の確率的背景からどのように区別できるか？

主な発見

• 大規模な追加次元モデルにおけるブレインインフレーションの過程で生成された宇宙ひもは、将来的な宇宙望遠鏡型干渉計によって検出可能な確率的重力波背景を生成する。
• 宇宙ひものカスプからの信号は、特に低周波数帯域においてLISAで観測可能であるほど強く期待される。
• 重力波背景のパワースペクトルは、追加次元の数およびひもの張力に依存しており、これらのパラメータを制限する手段を提供する。
• このような信号の検出は、大規模な追加次元およびブレインインフレーションのシナリオに関する間接的証拠を提供する。
• 本研究は、LEDモデルにおける宇宙ひも信号が他の確率的背景とは明確に異なることを確立しており、スペクトル解析によって区別可能であることを示している。