[論文レビュー] Scalar induced gravity waves from ultra slow-roll Galileon inflation

Sayantan Choudhury, Ahaskar Karde+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ガリレオンインフレーションにおける超低速ロール（USR）段階で生成されるスカラー誘導重力波（SIGW）が、NANOGrav 15年間の低周波数重力波信号を説明できると提唱している。ガリレオン理論の非再正則化定理を活用することで、段階遷移における大きなフラクチュエーションが制御され、$10^{-9}\,{\rm Hz} \sim 10^{7}\,{\rm Hz}$ の周波数範囲でピーク振幅 $\Omega_{\rm GW}h^{2} \sim \mathcal{O}(10^{-6})$ のSIGWスペクトルが得られ、LISA、BBO、DECIGO、HLVKの感度と整合的である。同時に、$\mathcal{O}(1\,M_\odot)$ から $10^{-18}\,M_\odot)$ の広範な原始ブラックホール質量範囲も可能である。1ループ補正を施したスカラー功率スペクトルは、段階遷移スケールのシフトに対してもこの振るまいを維持する。

ABSTRACT

We consider the production of secondary gravity waves in Galileon inflation with an ultra-slow roll (USR) phase and show that the spectrum of scalar-induced gravitational waves (SIGWs) in this case is consistent with the recent NANOGrav 15-year data and with sensitivities of other ground and space-based missions, LISA, BBO, DECIGO, CE, ET, HLVK (consists of aLIGO, aVirgo, and KAGRA), and HLV(03). Thanks to the non-renormalization property of Galileon theory, the amplitude of the large fluctuation is controllable at the sharp transitions between SR and USR regions. We show that the behaviour of the GW spectrum, when one-loop effects are included in the scalar power spectrum, is preserved under a shift of the sharp transition scale with peak amplitude $Ω_{ m GW}h^2\sim {\cal O}(10^{-6})$, and hence it can cover a wide range of frequencies within ${\cal O}(10^{-9}{ m Hz} - 10^{7}{ m Hz})$. An analysis of the allowed mass range for primordial black holes (PBHs) is also performed, where we find that mass values ranging from ${\cal O}(1M_{\odot} - 10^{-18}M_{\odot})$ can be generated over the corresponding allowed range of low and high frequencies.

研究の動機と目的

• ガリレオンインフレーションモデルにおけるスカラー誘導重力波（SIGW）によって、NANOGrav 15年間の低周波数重力波信号を説明すること。
• 超低速ロール（USR）段階が、SIGWを生成する大規模なスカラー摂動を生じる役割を調査すること。
• SIGWスペクトルが、LISA、BBO、DECIGO、HLVKを含む地上および宇宙望遠鏡の感度と整合的であるかを評価すること。
• SIGWを生成する同じ大規模スカラー摂動から形成される原始ブラックホール（PBH）の許容される質量範囲を分析すること。
• ガリレオン理論の非再正則化定理を活用し、1ループ補正を施したスカラー功率スペクトルが、SRとUSRの遷移スケールのシフトに対してもSIGWスペクトルのロバスト性を保つかを検討すること。

提案手法

• スロー・ロール（SR）から超低速ロール（USR）への急峻な遷移を持つガリレオンインフレーションのモデル化。この段階で大規模なスカラーフラクチュエーションが生成される。
• ガリレオン理論の非再正則化定理を適用し、相転移における相関関数の放射的安定性を保証するとともに、大きなフラクチュエーションの振幅を制御する。
• 3次の作用と3段階（SR、USR、USR後のSRII）におけるモード解を用いて、1ループ補正を施したスカラー功率スペクトルを計算する。
• 放射支配期および物質支配期におけるスカラー摂動からの2次重力波生成のための転送関数と結合係数を導出する。
• 1ループ補正を施したスカラー功率スペクトルを用いて、非線形系の完全な時間発展を考慮し、次にスカラー誘導重力波の次元なしエネルギー密度スペクトル $\Omega_{\rm GW}(k)$ を計算する。
• 段階遷移スケールのシフトの影響を含めた、全スケール範囲にわたる周波数帯域における積分を通じて、SIGWの振幅を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガリレオンインフレーションに超低速ロール段階を含む場合、スカラー誘導重力波がNANOGrav 15年間のデータを再現できるか？
• RQ2 1ループ補正を施したスカラー功率スペクトルは、誘導重力波スペクトルの振幅と形状にどのように影響を与えるか？
• RQ3 SIGWスペクトルが、LISA、BBO、DECIGO、HLVKを含む将来のミッションと整合的で観測可能となる周波数範囲は何か？
• RQ4 SIGWを生成する同じスカラー摂動から形成される原始ブラックホール（PBH）の質量範囲は何か？
• RQ5 ガリレオン理論の非再正則化性が、SRとUSRの間の遷移スケールのシフトに対してもSIGWスペクトルを安定化させるか？

主な発見

• ガリレオンインフレーションに超低速ロール段階を含むスカラー誘導重力波（SIGW）スペクトルは、ピーク振幅 $\Omega_{\rm GW}h^{2} \sim \mathcal{O}(10^{-6})$ を達成し、NANOGrav 15年間のデータと一致する。
• SIGWスペクトルは $10^{-9}\,{\rm Hz}$ から $10^{7}\,{\rm Hz}$ の広範な周波数範囲をカバーしており、LISA、BBO、DECIGO、HLVKを含む複数の将来の実験で検出可能である。
• 1ループ補正を施したスカラー功率スペクトルは、スロー・ロールと超低速ロールの間の遷移スケールのシフトに対しても、SIGWの振幅と形状を維持する。
• 本モデルは、$\mathcal{O}(1\,M_\odot)$ から $10^{-18}\,M_\odot)$ の広範な質量範囲の原始ブラックホール（PBH）を生成する。これは恒星質量およびそれ以下の質量領域をカバーする。
• ガリレオン理論の非再正則化定理により、放射補正が大規模スカラーフラクチュエーションを不安定化しないことが保証され、制御された安定なSIGW生成メカニズムが実現される。
• フェーズ依存のモード解と結合係数を含む完全な解析的フレームワークにより、すべての関連宇宙論的時代にわたりSIGWスペクトルのロバスト性が確認された。