[論文レビュー] Ultra-high frequency primordial gravitational waves beyond the kHz: the case of cosmic strings

Géraldine Servant, Peera Simakachorn|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 207被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、宇宙線から発生する超高周波数（UHF）原始重力波（GWs）を調査し、LIGO、LISA、およびパulsarタイミングアレイを超える100 GHzまで検出可能な信号を予測している。局所的宇宙線は10 kHzで10⁻²⁶に達する特徴的な歪みを生成でき、10¹⁴–10¹⁷ GeVのグランドユニフィケーションスケールを調べられるが、初期の物質優位性のためアクシオン的宇宙線は抑制される。

ABSTRACT

We investigate gravitational-wave backgrounds (GWBs) of primordial origin that would manifest only at ultra-high frequencies, from kilohertz to 100 gigahertz, and leave no signal at either LIGO, Einstein Telescope, Cosmic Explorer, LISA, or pulsar-timing arrays. We focus on GWBs produced by cosmic strings and make predictions for the GW spectra scanning over high-energy scale (beyond $10^{10}$ GeV) particle physics parameters. Signals from local string networks can easily be as large as the Big Bang nucleosynthesis/cosmic microwave background bounds, with a characteristic strain as high as $10^{-26}$ in the 10 kHz band, offering prospects to probe grand unification physics in the $10^{14}-10^{17}$ GeV energy range. In comparison, GWB from axionic strings is suppressed (with maximal characteristic strain $\sim 10^{-31}$) due to the early matter era induced by the associated heavy axions. We estimate the needed reach of hypothetical futuristic GW detectors to probe such GWB and, therefore, the corresponding high-energy physics processes. Beyond the information of the symmetry-breaking scale, the high-frequency spectrum encodes the microscopic structure of the strings through the position of the UV cutoffs associated with cusps and kinks, as well as potential information about friction forces on the string. The IR slope, on the other hand, reflects the physics responsible for the decay of the string network. We discuss possible strategies for reconstructing the scalar potential, particularly the scalar self-coupling, from the measurement of the UV cutoff of the GW spectrum.

研究の動機と目的

• 現在の低・中周波帯GW検出器や計画中の検出器では検出できない原始重力波背景（GWB）を特定・モデル化すること。
• 宇宙線からの超高周波数（UHF）GWBが10¹⁰ GeVを超える高スケール素粒子物理学を調べる可能性を探ること。
• このようなUHF GWBが将来的な検出器で検出可能かどうかを特定し、基本的な物理パラメータへの感受性を評価すること。
• GWスペクトルのUVカットオフから宇宙線のスカラー自己結合を再構成すること。

提案手法

• 1 kHzから100 GHzの周波数範囲にわたるGWスペクトルを計算するために、宇宙線ネットワークの解析的および数値的モデル化を用いる。
• ストリングの運動を記述するためのNambu-Goto作用を適用し、四極子公式を用いてカスプおよびキンクからのGW放射を計算する。
• 修正された因果律条件と有効摩擦係数を用いて、ストリングに及ぼされる熱的摩擦効果を組み込む。
• 不安定な局所的ストリングにおけるモノポール崩壊によるIRカットオフをモデル化し、ネットワーク崩壊物理学と関連付ける。
• エネルギー密度分率ΩGWh²を用いてGWBの振幅を推定し、hc ≈ 1.26 × 10⁻¹⁸ (Hz/fGW) √(ΩGWh²) を用いて特徴的歪みhcに変換する。
• 重いアクシオンによる初期の物質優位性がGWBを抑制する影響を、修正されたハッブル進化とアクシオン崩壊定数を用いて分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線は、LIGO、LISA、およびパulsarタイミングアレイでは検出できない超高周波数帯（1 kHz–100 GHz）で検出可能な重力波背景を生成できるか？
• RQ2 局所的宇宙線からのGWBの最大振幅は何か？ また、ビッグバン核合成（BBN）および宇宙マイクロ波背景（CMB）の制約とどのように関係するか？
• RQ3 カスプおよびキンク形成に起因するGWスペクトルのUVカットオフは、宇宙線の微視的構造に関するどのような情報を保持しているか？
• RQ4 アクシオン的宇宙線からのGWBはなぜ強く抑制されるのか？ また、重いアクシオンによる初期の物質優位性はスペクトルにどのように影響するか？
• RQ5 GWスペクトルの高周波数カットオフから、ヒッグスポテンシャルのスカラー自己結合を再構成できるか？

主な発見

• 局所的宇宙線は10 kHz帯で10⁻²⁶に達する特徴的歪みを持つGWBを生成でき、BBNおよびCMBの制約に近い。
• 局所的ストリングからのUHF GWBは、将来的な超感度検出器でのみ検出可能であり、BBN/CMBの限界と同等の振幅が予測される。
• アクシオン的ストリングは、重いアクシオンによる初期の物質優位性のため、強く抑制されたGWBを生成し、最大特徴的歪みは約10⁻³¹に達する。
• GWスペクトルの高周波数カットオフは、ストリングのカスプおよびキンクのUV物理学を記録しており、スカラーポテンシャルの自己結合の再構成が可能になる可能性がある。
• GWスペクトルのIR傾斜はネットワーク崩壊メカニズムを反映しており、不安定なストリングではモノポール崩壊に関連する明確なカットオフが観測される。
• 将来的な検出器は10⁻³⁰の歪み未満の感度を達成する必要があり、これにより10¹⁴–10¹⁷ GeVのスケールの物理学を調べられるようになる。