[論文レビュー] Parity violation in stochastic gravitational wave background from inflation

Rong-Gen Cai, Chengjie Fu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、インフレーション宇宙論におけるパリティ破れ重力モデルを提案する。テレパラレル重力におけるニーヒャン項とアキソン様スカラー場を結合することで、片方の重力波（GW）偏光状態でのみ速度双屈折とタキオン的不安定性を引き起こす。これにより、LISA や Taiji で検出可能な局在的スペクトルバンプを示すねじれ性を持つ確率的GW背景が生成される。これは、インフレーションダイナミクスおよび修正重力理論の独自のプローブを提供する。

ABSTRACT

We study the inflationary implications of a novel parity-violating gravity model, which modifies the teleparallel equivalent of general relativity by introducing the Nieh-Yan term coupled to an axion-like field. The parity-violating Nieh-Yan term results in the velocity birefringence of gravitational waves (GWs) and triggers the tachyonic instability only for one of the two circular polarization states. We consider that the inflaton is identified as the coupled axion-like field with a wiggly potential characterized by steep cliffs connected by smooth plateaus. During inflation, the temporary fast roll of axion on the cliff-like region leads to the significant enhancement of the tensor perturbations in one polarization state with the wave numbers that exit the horizon around this period. In this setup, the resulting energy spectrum for GWs presents a sizable localized bump involving the contribution of only one polarization state. This chiral GW background is detectable by LISA and Taiji, and its chirality can be determined by correlating two detectors, which provide an opportunity to probe the inflation and test the gravity model.

研究の動機と目的

• テレパラレル重力にニーヒャン項を組み合わせた、新たなパリティ破れ重力モデルの意味を検討すること。
• このモデルが、片方のGW偏光状態の非対称増幅を通じてインフレーション期にねじれ性を持つ確率的重力波背景をどのように生成するかを調査すること。
• このようなねじれ性を持つGW信号が、LISA や Taiji などの宇宙ベース干渉計によって検出可能かどうかを特定すること。
• 二つの検出器の相互相関を用いた観測可能なGWねじれ性を通じて、インフレーションモデルおよびパリティ破れ重力理論のテストのメカニズムを提供すること。

提案手法

• パリティ対称性を破るため、アキソン様スカラー場と結合されたニーヒャン項を含む修正されたテレパラレル重力作用を定式化する。
• 急勾配と滑らかな平坦部を有する波形の複雑なポテンシャルを持つアキソン様インフレートンをモデル化し、一時的な高速ロール期を誘発する。
• 崖状の領域における高速ロール期におけるテンソル摂動を分析し、重力波の片方の円偏光状態でのみタキオン的不安定性が生じることを示す。
• 結果として得られる確率的GW背景のエネルギースペクトルを計算し、片方の偏光状態が支配する局在的バンプを示すことを明らかにする。
• 二つの検出器（例：LISA と Taiji）の信号相互相関を用いて、GW信号のねじれ性を抽出する検出可能性を評価する。
• CMB観測、特にスカラースペクトル指数と初期パワースペクトル振幅を用いて、モデルパラメータの制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テレパラレル枠組みにおけるパリティ破れ重力モデルが、インフレーション期にねじれ性を持つ確率的重力波背景を生成できるか？
• RQ2 アキソン様場とニーヒャン項の結合が、片方のGW偏光状態の非対称増幅をどのように引き起こすか？
• RQ3 得られるGWエネルギースペクトルの形状と振幅はどのようなものか？また、局在的スペクトルバンプを示す可能性はあるか？
• RQ4 ねじれ性を持つGW背景は、将来的な宇宙ベース干渉計（LISA や Taiji）によって検出可能か？
• RQ5 CMBデータから、インフレーションスケールや場のポテンシャルなどのモデルパラメータにどのような観測的制約を導出できるか？

主な発見

• テレパラレル重力におけるパリティ破れニーヒャン項は、重力波の片方の円偏光状態でのみ速度双屈折とタキオン的不安定性を引き起こす。
• アキソンポテンシャルの崖状領域における一時的高速ロール期に、テンソル摂動が片方の偏光状態でのみ著しく増幅され、ねじれ性を持つGW背景が生成される。
• 得られるエネルギースペクトルは、片方の偏光状態が支配する局在的バンプを示し、標準的な等方的背景とは明確に区別される。
• このねじれ性を持つGW信号は、LISA や Taiji によって検出可能であり、二つの検出器からの信号相互相関によってねじれ性が測定可能である。
• インフレーションエネルギー スケールに関する弱い制約が得られ、$ H_* / M \simeq 4.3 \times 10^{-4} (r_{\rm dec} q)^{-1} $ となる。これはCMB観測と整合的である。
• スカラー摂動のスペクトル指数は、カーバトンポテンシャルの二階微分によって決定され、$ n_s \approx 0.9649 $ を満たすためには $ (U_{\sigma\sigma})_* < 0 $ が必要である。これは $ \alpha $-アトラクタポテンシャルモデルで満たされる。