[論文レビュー] Stochastic gravitational wave background: birth from string-wall death

Shuailiang Ge|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 126被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、インフレーション後に再ホライズンに入ってきた軸子のストリング・ウォールネットワークの最終的崩壊が、ナノヘルツ周波数で検出された確率的重力波背景（SGWB）の起源である可能性を提唱している。インフレーション中にネットワークが形成され、インフレーション後に再ホライズンに入ると、その崩壊が重力波の主要な源となり、PTAの信号を説明できるスペクトルを生成する。今後の干渉計実験での検出可能性はモデルパラメータに依存する。

ABSTRACT

We study a new source of stochastic gravitational wave background (SGWB) from the final collapse of a network of topological defects. Typically, the final collapse is considered negligible for generating gravitational waves (GWs) due to its subdominance compared with the network's long-term evolution in the scaling regime. However, in some cases, a network can be driven outside of horizon by inflation and later re-enter horizon. Then, the network's final collapse after re-entering horizon becomes the dominant GW source and therefore cannot be neglected. We demonstrate this phenomenon in the context of $N_{ m DW}=1$ string-wall networks which naturally arise in axion models, although the framework can be generalized to other types of topological networks. The final collapse of walls bounded by strings releases GWs. Our calculation of the corresponding GW spectrum suggests it could be related to the first few bins of the nano-Hertz SGWB signal possibly detected by various Pulsar Timing Array (PTA) collaborations. However, it is important to note that such GW spectrum falls within a relatively narrow frequency range, which may not completely account for the PTA signal that spans more than one order of magnitude in frequency. Furthermore, with different parameter choices, the resultant GWs generated in this mechanism could be probed by various GW interferometry experiments.

研究の動機と目的

• 軸子ストリング・ウォールネットワークの最終的崩壊から生じる重力波放射を調査すること。これは、長期間にわたるスケーリング状態の放射に比べてこれまで軽視されてきたプロセスである。
• 特に、インフレーション中に生成され、インフレーション後に再ホライズンに入ったネットワークにおいて、その崩壊が重力波の主要な源となる条件を調査すること。
• そのような崩壊によって生じる重力波スペクトルが、パulsar timing arrays（PTA）によって観測されたナノヘルツ帯の確率的重力波背景（SGWB）を説明できるかどうかを評価すること。
• 異なるパラメータ選択の下で、今後の干渉計実験がそのような重力波を検出可能かどうかを評価すること。
• 軸子がダーク放射に崩壊することによる宇宙論的影響を検討し、特にハッブル緊張問題の緩和可能性を検討すること。

提案手法

• インフレーション中にPQ対称性の破れに続く軸子ストリングとドメインウォールが生成される$N_{\rm DW}=1$軸子フレームワークをモデル化し、インフレーション後に再ホライズンに入ったネットワークを想定する。
• ストリングで囲まれたウォールの崩壊に伴う重力波スペクトルを、エネルギー放出と崩壊するウォールの力学に基づくオーダーオブマグニチュードの推定によって計算する。
• インフレーションによる抑制後にホライズンに再入した場合、スケーリング状態が存在しないため、ネットワークの崩壊が重力波の唯一の源となる条件を分析する。
• 周波数の関数としての重力波エネルギー密度スペクトル$\Omega_{\rm GW}(f)$を導出し、再入温度が$T_{\rm en} \sim 10\ \text{MeV}$程度のとき、ナノヘルツ帯にピークを持つことを示す。
• ビッグバン核合成（BBN）からの制約を含み、軸子が標準模型（SM）粒子やダーク放射に崩壊することで過剰生成を避ける必要がある。
• axion decay constant $f_a$、wall tension $\sigma_w$、およびdecay width $\Gamma_{a \to \gamma'\gamma'}$ などのパラメータを変化させることで、今後の干渉計による検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション後に再ホライズンに入ったストリング・ウォールネットワークの最終的崩壊が、ナノヘルツ周波数帯で検出可能な確率的重力波背景（SGWB）を生成できるか？
• RQ2 ストリング・ウォールネットワークの崩壊が、スケーリング状態での放射を上回る主要な重力波源となる条件は何か？
• RQ3 そのような崩壊によって生じる重力波スペクトルが、複数のパルサー・タイミングアレイ（PTA）共同研究で報告されたナノヘルツ帯のSGWB信号を説明できるか？
• RQ4 どのパラメータ空間において、今後の干渉計重力波検出器がその信号を探索可能となるか？
• RQ5 この枠組みにおいて、軸子がダーク放射に崩壊することは、PTAの信号を説明するとともにハッブル緊張問題の緩和を同時に可能にするか？

主な発見

• インフレーション後に再ホライズンに入ったストリング・ウォールネットワークの最終的崩壊は、ナノヘルツ周波数帯にピークを持つ確率的重力波背景（SGWB）を生成でき、NANOGrav、EPTA、PPTA、CPTAが観測した信号と一致する。
• 再入温度が$T_{\rm en} \sim 10\ \text{MeV}$程度のとき、その重力波スペクトルは観測されたPTAのnHz帯SGWBを説明可能であり、他の源とは対照的に有効な代替源である。
• パラメータ$f_a$や$\sigma_w$の異なる選択肢に対して、LISA、BBO、DECIGOなどの今後の干渉計実験でその重力波信号が検出可能であると予測される。
• BBNの制約を満たす範囲で、軸子がダーク放射に崩壊することは可能であり、PTAの信号を説明すると同時にハッブル緊張問題の緩和を可能にする可能性がある。特に、崩壊が遅延している場合に顕著である。
• 重力波スペクトルはオーダーオブマグニチュードの推定に基づいて導出されており、定性的な特徴は堅牢であるが、正確な定量的予測を得るためにはより詳細な数値シミュレーションが必要である。
• このメカニズムは$N_{\rm DW}=1$軸子に限定されず、さまざまな周波数帯でSGWBを生成するための新しいパラメータ空間を開く可能性を秘めている。