[論文レビュー] Speed of sound in cosmological phase transitions and effect on gravitational waves

Tuomas V. I. Tenkanen, Jorinde van de Vis|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2022

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 86被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、標準模型の拡張であるO(N)シングレットスカラーモデルにおける宇宙論的1次相転移において、圧力および音速の高次補正を計算し、標準的な$c_s^2 = 1/3$からのずれが最大5%に達し、重力波エネルギー予算を最大50%まで抑制することを示している。特にハイブリッド型およびデトネーション型の相転移においてその効果は顕著であり、自由度が減少したダークセクター・モデルではさらに顕著になる。

ABSTRACT

The energy budget for gravitational waves of a cosmological first order phase transitions depends on the speed of sound in the thermal plasma in both phases around the bubble wall. Working in the real-singlet augmented Standard Model, which admits a strong two-step electroweak phase transition, we compute higher order corrections to the pressure and sound speed. We compare our result to lower-order approximations to the sound speed and the energy budget and investigate the impact on the gravitational wave signal. We find that deviations in the speed of sound from $c_s^2 = 1/3$ are enhanced up to $\mathcal O(5\%)$ in our higher-order computation. This results in a suppression in the energy budget of up to $\mathcal O (50\%)$ compared to approximations assuming $c_s^2 = 1/3$. The effect is most significant for hybrid and detonation solutions. We generalise our discussion to the case of multiple inert scalars and the case of a reduced number of fermion families in order to mimic hypothetical dark sector phase transitions. In this sector with modified field content, the sound speed can receive significant suppression, with potential order-of-magnitude impact on the gravitational wave amplitude.

研究の動機と目的

• 宇宙論的1次相転移における音速の高次補正を計算することで、重力波エネルギー予算の精度を向上させること。
• $c_s^2 = 1/3$と仮定される袋模型近似とは異なる、音速のずれが重力波信号に与える影響を調査すること。
• 複数のインertスカラーまたはフェルミオンの世代数が減少したような、修正された場の内容が音速および重力波振幅に与える影響を調査すること。
• 結果をダークセクターの相転移に一般化し、重力波信号に1桁の変化が生じる可能性を評価すること。
• 袋模型近似に代わる場の理論に基づく圧力および音速の計算により、重力波予測のためのよりモデルに配慮したフレームワークを提供すること。

提案手法

• 強い2段階的な電弱相転移をモデル化するため、O(N)対称性を有する実スカラーシングレット拡張標準模型を用いる。
• 次元削減およびバックグラウンド場法を用いた3次元ユークリッド有効場理論（EFT）フレームワーク内で、1ループ有効ポテンシャルを計算する。
• ハードおよびソフトな熱的寄与（ゼロモードを再結合した寄与を含む）を含めた1ループ熱的ポテンシャルを用いて、圧力および音速を評価する。
• 紫外発散をキャンセルするための補正項を適用し、4次元および3次元EFTパラメータの間のマッチング関係を用いる。
• 熱力学的関係を用いて圧力から音速を導出し、ヒッグス粒子、ゲージボソン、トップクォーク、スカラーシングレットを含むすべての場の質量固有値を明示的に計算する。
• フェルミオンの世代数が減少したモデル（Nf = 1）や複数のインエールスカラーを有するモデル（N > 1）に結果を拡張し、ダークセクターの相転移を模倣する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 音圧および音速の高次補正は、1次電弱相転移における重力波エネルギー予算にどのように影響を与えるか？
• RQ2 $c_s^2 = 1/3$からのずれは、特にハイブリッド型およびデトネーション型の相転移において、重力波振幅をどの程度変化させるか？
• RQ3 フェルミオンの世代数が減少する（例えば、フェルミオンの自由度が減少）あるいはインエールスカラーが存在するといった、自由度の減少が音速およびそれに続く重力波信号に与える影響は何か？
• RQ4 $c_s^2 = 1/3$を仮定する袋模型近似は、重力波エネルギー予算を顕著に過大評価する可能性があるか？
• RQ5 低次の近似と比較して、高次補正を組み込むことで、重力波予測の精度はどの程度向上するか？

主な発見

• 高次補正により、O(N)対称性を有する実スカラーシングレットモデルにおいて、音速の$c_s^2 = 1/3$からのずれが最大5%まで増大する。
• これらのずれは、標準的な$c_s^2 = 1/3$の仮定と比較して、重力波エネルギー予算を最大50%まで抑制する。
• この効果は、放射支配状態の値から音速が最もずれるハイブリッド型およびデトネーション型の相転移において特に顕著である。
• フェルミオンの世代数が減少したモデル（Nf = 1、標準の3世代ではなく）では、軽い自由度が減少するため、音速が顕著に抑制され、$c_s^2$が1/3に近づく。
• 場の内容が修正されたダークセクター・モデルでは、音速が1桁のオーダーで抑制され、重力波振幅も同程度のオーダーで減少する可能性がある。
• 本研究は、$c_s^2 = 1/3$を固定値として仮定する袋模型近似が、質量を持つ場や自由度が減少したモデルにおいて、重力波信号を系統的に過大評価することを示している。