[논문 리뷰] A collider test of nano-Hertz gravitational waves from pulsar timing arrays

Shao-Ping Li, Ke-Pan Xie|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 03.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 펄서 타이밍 어레이(PTA)에서 관측된 나노헤르츠 영역의 중력파(GW) 배경이 표준모형과 힉스 포털을 통해 연결된 메브 스케일의 은밀한 섹터에서 발생하는 1차 위상전이(FOPT)에서 기인할 수 있다고 제안한다. 이 연구는 관측된 GW 신호를 생성하기 위해 필요한 크기의 포털 결합이 LHC와 향후 렙톤 충돌기인 CEPC, ILC, FCC-ee에서 힉스의 비가시성 붕괴를 통해 탐지될 수 있음을 보여주며, 잡음 없는 GW 배경의 기원에 대한 직접적인 충돌기 검증을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A cosmic first-order phase transition (FOPT) occurring at MeV-scale provides an attractive explanation for the nano-Hertz gravitational wave (GW) background indicated by the recent pulsar timing array data from the NANOGrav, CPTA, EPTA and PPTA collaborations. We propose this explanation can be further tested at the colliders if the hidden sector couples to the Standard Model sector via Higgs portal. Through a careful analysis of the thermal history of the hidden sector, we demonstrate that in order to successfully explain the observed GW signal, the portal coupling must be sizable that it can be probed through Higgs invisible decay at the LHC or future lepton colliders such as CEPC, ILC, and FCC-ee. Our research offers a promising avenue to uncover the physical origin of the nano-Hertz GWs through particle physics experiments.

연구 동기 및 목표

• 펄서 타이밍 어레이(PTA)에서 관측된 나노헤르츠 영역의 중력파(GW) 배경이 메브 스케일의 은밀한 섹터에서 발생하는 1차 위상전이(FOPT)로 설명될 수 있는지 조사한다.
• 그러한 FOPT가 입자물리 실험, 특히 충돌기 탐색에 미치는 영향을 규명한다.
• GW 신호의 진폭과 은밀한 섹터로의 힉스 포털 결합 강도 사이의 관계를 설정한다.
• 현재와 향후 충돌기—예를 들어 HL-LHC, CEPC, ILC, FCC-ee—가 PTA 데이터를 설명하기 위해 필요한 포털 결합을 얼마나 잘 탐지할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 연구는 U(1)X 대칭을 가진 스칼라와 어둠의 게이지 보손을 포함하는 최소한의 게이지된 U(1)X 어둠의 섹터 모델을 사용하며, 이는 표준모형과 힉스 포털을 통해 연결된다.
• 유한 온도에서 어둠의 스칼라의 효과적 포텐셜을 계산하며, 1-루프 양자 보정과 열 효과를 위한 데이지 재수렴을 포함한다.
• 어둠의 섹터의 열역학적 역사 분석을 통해 표준모형 섹터 대비 어둠의 섹터의 온도를 평가하며, 약한 포털 결합으로 인한 조기 분리 상태를 고려한다.
• 표준적인 스토하스틱 GW 배경 생성 프레임워크를 사용해, 기포 충돌과 음파에 의한 중력파 스펙트럼을 계산한다.
• 포털 결합에 따라 힉스의 비가시성 붕괴 너비를 유도함으로써, 직접적인 충돌기 감도 추정이 가능해진다.
• 기준점들을 수치적으로 분석하여 GW 생성에 필요한 포털 결합과 HL-LHC 및 향후 렙톤 충돌기의 탐지 능력 간의 비교를 수행한다.

Figure 1: Four BPs: BP1 (top left), BP2 (top right), BP3 (bottom left) and BP4 (bottom right). The $T_{\rm dec}$ and $\xi_{n}$ as functions of $\theta$ are shown as red and green curves, respectively. The region disfavored by the PTA data is covered by orange mesh, while the region excluded by the L

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PTA에서 관측된 나노헤르츠 영역의 중력파 배경은 메브 스케일의 은밀한 섹터에서 발생하는 1차 위상전이로 설명될 수 있는가?
• RQ2 관측된 GW 진폭을 생성하기 위해 필요한 힉스 포털 결합 강도는 얼마이며, 이는 충돌기에서 탐지 가능한가?
• RQ3 은밀한 섹터의 조기 열분리가 GW 신호와 필요한 포털 결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 HL-LHC와 CEPC, ILC, FCC-ee와 같은 향후 렙톤 충돌기는 PTA GW 신호를 설명하기 위해 필요한 매개변수 공간을 어느 정도 탐지할 수 있는가?
• RQ5 스토하스틱 GW 배경과 힉스 포털 결합을 통한 힉스의 비가시성 붕괴 사이에 직접적인 연결 고리가 존재하는가?

주요 결과

• 관측된 나노헤르츠 영역의 GW 배경을 생성하기 위해 상당한 크기의 힉스 포털 결합이 필요하며, 이는 더 작은 결합 강도에서는 위상전이 동안 충분한 에너지 방출이 일어나지 않기 때문이다.
• 필요로 하는 포털 결합은 힉스 보손의 비가시성 분해비를 크게 만들어, HL-LHC에서 힉스 비가시성 붕괴를 통해 탐지 가능하게 한다.
• HL-LHC는 PTA GW 신호와 일치하는 매개변수 공간의 대부분을 탐지할 것으로 기대된다.
• CEPC, ILC, FCC-ee와 같은 향후 렙톤 충돌기는 GW 배경을 설명하기 위해 필요한 매개변수 공간의 거의 전부를 커버할 수 있다.
• 이 연구는 천체물리적 관측인 스토하스틱 GW 배경과 특정 입자물리 과정인 힉스 비가시성 붕괴 사이에 직접적이고 검증 가능한 연결 고리를 확립한다.

Figure 2: Envelopes of the GW spectra for the BPs in Table 1 when varying $\theta$ within the allowed region. The PTA data are explained in the main text.