[論文レビュー] Probing the high temperature symmetry breaking with gravitational waves from domain walls

Xiu-Fei Li|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 25

ひとこと要約

この論文は高温での Z2 対称性の破れが領域壁の形成と消滅を引き起こし、それによって重力波を生じることを分析する; GW信号を対称性破れエネルギースケールにリンクし、NANOGravデータの潜在的説明や今後の検出器での予測可能性について論じる。

ABSTRACT

The symmetry can be broken at high temperature and then restored at low temperature, which is the so-called \emph{high temperature symmetry breaking}. It often appears in some theories such as the high scale electroweak baryogenesis mechanism. In this paper, we probe the high temperature $\mathbb{Z}_2$ symmetry breaking with gravitational waves (GWs) from domain wall annihilation. We first introduce a scalar with $\mathbb{Z}_2$ symmetry and few of singlet fermions that interact with scalar through a five-dimension operator. This can lead to the scalar potential has a non-zero minimum at high temperature. At the early stage, the scalar is pinned at symmetric phase due to the large Hubble fraction. When the scalar thermal mass becomes comparable to the Hubble parameter, it can quickly roll down to the minimum of potential. Then the $\mathbb{Z}_2$ symmetry is spontaneously broken and the domain walls will form. With the decrease of temperature, $\mathbb{Z}_2$ symmetry will be restored. We find that if domain walls are formed at $\mathcal{O}(10^{9})~ m GeV$, the GW produced by domain wall annihilation is expected to be observed by BBO, CE and ET. In addition, we also discuss the relationships between this scenario and NANOGrav signal.

研究の動機と目的

• 実数スカラー場とsingletフェルミオンとの five-dimensional 相互作用を介して高温での Z2 対称性破れを動機づけ、モデル化する。
• 温度依存の領域壁張力と、領域壁問題を回避するための形成・消滅条件を導出する。
• 領域壁消滅からの重力波スペクトルを計算し、ピーク周波数・振幅を対称性破れスケールに関連づける。
• 現在および将来の GW 観測所との関係を結びつけ、NANOGrav 信号との潜在的な関連を議論する。

提案手法

• Z2 対称性を持つ実数スカラー φ と Nf 個の singlet フェルミオン ψ を φ^2/M_pl 演算子を介して結合させることを導入する。
• 高温での最小を与え、Z2 破れを生じさせる有限温度有効ポテンシャル V_eff(φ,T) を用い、κ = Nf mψ / M_pl とする。
• 温度依存の領域壁張力 σ_wall(T) ∝ T^3 を導出し、領域壁のオーバークローズを避ける条件 (ρ_wall/ρ_rad < 1) を求める。
• 放射優勢時代における T_i での領域壁形成と、消滅時期 t_ann ≈ t_i を分析する。
• 領域壁消滅からの GW スペクトルを計算し、ピーク振幅 Ω_gw(t_ann)_peak および現在の Ω_gw h^2_peak を確立された関係式を用いて示す (Ω_gw h^2)_peak ≈ 9×10^-14 (κ^4/λ^2) (100/g_*(T_i))^{7/3} および f_gw_peak ≈ 2×10^11 Hz sqrt(κ) (100/g_*(T_i))^{1/3}。

Figure 1: Sensitivities of GW detectors and the GW spectrum (blue solid line) from domain wall annihilation for $\kappa\sim 10^{-15}$ and $\lambda\sim 10^{-33}$ . The domain walls are formed at $\mathcal{O}(10^{9})\leavevmode\nobreak\ \rm GeV$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 κ および λ のどのパラメータ範囲が、高温で Z2 を破り、放射優勢の間に領域壁が消滅する条件を満たすか？
• RQ2 領域壁張力の温度依存性が宇宙論的進化にどう影響し、領域壁問題を回避するのか？
• RQ3 領域壁消滅に伴う重力波の振幅とピーク周波数は、対称性破れスケールの関数としてどのような特徴を持つか？
• RQ4 予測される GW スペクトルは、NANOGrav のような現在の stochastic 背景の示唆を取り込むことができ、かつ将来の検出器で検証可能か？
• RQ5 将来の GW 実験で高温の対称性破れを領域壁を介して確認できる観測信号は何か？

主な発見

• κ ∼ 10^-15 および λ ∼ 10^-33 のとき、Z2 は約 10^9 GeV 付近で破れ、GW peak はおおよそ 10^3–10^4 Hz、BBO、CE、ET により検出される可能性がある。
• κ ∼ 10^-38 および λ ∼ 10^-78 のとき、対称性破れは約 10 MeV 付近で起こり、GW peak は約 10^-8 Hz near、NANOGrav 15 年信号を説明する可能性があり、LISA、TianQin、DECIGO、BBO によって高周波数領域でも検出され得る。
• The GW peak amplitude today follows Ω_gw h^2_peak ≈ 9×10^-14 × (κ^4/λ^2) × (100/g_*(T_i))^{7/3}.
• The peak frequency today scales as f_gw_peak ≈ 2×10^11 Hz × sqrt(κ) × (100/g_*(T_i))^{1/3}.
• モデルは温度依存の領域-wall 張力 σ_wall(T) ∝ T^3 を予測し、領域壁エネルギー密度の急速な減衰を引き起こして通常の領域壁過閉塞問題を回避する。
• κ が極めて小さい（∼10^-38）で λ が非常に小さい場合、質量 ∼10^-11 eV の超軽量フェルミオンが生じうる可能性があり、超軽量フェルミオン型の暗黒物質概念につながる可能性がある。

Figure 2: Sensitivities of GW detectors and the GW spectrum (blue solid line) from domain wall annihilation for $\kappa\sim 10^{-38}$ and $\lambda\sim 10^{-78}$ . The domain walls are formed at $\mathcal{O}(10)\leavevmode\nobreak\ \rm MeV$ and the peak frequency of GW spectrum around $\mathcal{O}(10