[논문 리뷰] Cosmic Simulations of Axion String-Wall Networks: Probing Dark Matter and Gravitational Waves for Discovery

Yang Li, Ligong Bian외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 03.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초기 우주에서 축상자 및 도메인 벽 네트워크의 중력파(GW) 방출을 모의하기 위해 3차원 격자 시뮬레이션을 사용한다. 주로 QCD 축상자와 축상자 유사 입자(ALLP)를 대상으로 하며, 축상자 줄기에서만 발생하는 중력파는 탐지 불가능한 것으로 나타났다. 그러나 다수의 도메인 벽($N_{\rm DW} > 1$)을 가진 모델에서는 나노헤르츠에서 킬로헤르츠 대역의 탐지 가능한 중력파 신호가 나타나며, 특히 도메인 벽을 안정화시키는 비용 항이 존재할 경우 더욱 두드러진다.

ABSTRACT

We simultaneously study gravitational waves (GWs) and free axions emitted from axionic string-wall networks in the early universe using advanced 3D lattice simulations. Our simulations start before the Peccei-Quinn phase transition and end with the destruction of string-wall networks below the QCD scale. The axion dark matter (DM) relic abundance radiated from string-wall networks are updated and refined for the scenarios of $N_{ m DW}>1$. In this scenario, we observe that the GW spectrum is almost independent of the bias term and $N_{ m DW}$, and $Ω_{ m GW}h^2\propto f^{1.29}(f^{-0.43})$ in the IR and middle-frequency regions. After considering the constraints from DM relic abundance, we found that the QCD axion model predicts undetectable GW emissions, and the axion-like particles model allows for a detectable GW signal in the nano-Hertz to the milli-Hertz frequency range corresponding to axion masses range from KeV to TeV. For $N_{ m DW}=1$, the GW energy density appears undetectable for QCD axions and axion-like particles.

연구 동기 및 목표

• 고도화된 3차원 격자 시뮬레이션을 활용해 초기 우주에서 축상자 줄기-벽 네트워크의 중력파(GW) 방출을 연구하기 위해.
• 현재 및 향후 중력파 실험에서 축상자 줄기 및 도메인 벽(DW)에서 발생하는 중력파가 탐지 가능한지 여부를 규명하기 위해.
• 도메인 벽 수 $N_{\rm DW}$와 비용 항이 중력파 스펙트럼 형상에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 나노헤르츠에서 킬로헤르츠 대역에서 QCD 축상자와 축상자 유사 입자(ALLP)에서 발생하는 중력파의 탐지 가능성을 평가하기 위해.
• 줄기 네트워크의 스케일링 행동과 축상자 붕괴 상수 $f_a$에 따른 중력파 에너지 밀도의 스케일링을 검증하기 위해.

제안 방법

• Peccei-Quinn(PQ) 대칭 붕괴 과정을 3차원 격자 시뮬레이션으로 수행하였으며, PQ 전이 이전부터 시작하여 QCD 시대를 거쳐 진화시켰다.
• 공동 면적 밀도와 줄기 간격의 시간적 변화를 추적하여 줄기 네트워크의 스케일링 행동을 검증하였다.
• 줄기-벽 시스템의 스트레스-에너지 텐서를 사용하여 중력파 에너지 밀도 스펙트럼 $\Omega_{\rm GW}h^2$를 계산하고, 오늘날의 값으로 적색 이동을 적용하였다.
• 비용 항을 명시적으로 모델링하여 도메인 벽을 안정화시키는 경우, $N_{\rm DW} = 1$(QCD 축상자 모델)과 $N_{\rm DW} > 1$(비용 항이 있는 ALLP 모델)의 중력파 스펙트럼을 비교하였다.
• 스케일링 파라미터를 계산하기 위해 두 가지 독립된 방법을 사용: 평균 줄기 간격의 변화 추적과 표준 스케일링 모델. 두 방법 모두 일관된 결과를 도출하였다.
• 최종 시간에서 오늘날까지의 적색 이동 진화를 Hubble 파라미터와 스케일 인자 변화를 이용해 중력파 스펙트럼에 적용하였다.

Figure 1: Evolution of scaling parameters with rescaled conformal time $\tilde{\eta}$ and rescaled cosmic time $\tilde{t}=t/t_{i}$ , with $t_{i}=1/(2H_{i})$ the initial cosmic time. In a radiation-dominated universe, the scaling parameter is equal to four times the number of infinite (long straight)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주에서 축상자 줄기-벽 네트워크가 방출하는 중력파의 진폭과 주파수 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ2 도메인 벽 수 $N_{\rm DW}$는 축상자 네트워크에서 발생하는 중력파 신호의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 현재 또는 향후 실험(예: PTA, LISA, LIGO)에서 축상자 줄기 및 도메인 벽에서 발생하는 중력파를 탐지할 수 있는가?
• RQ4 잠재력 내 비용 항의 존재는 도메인 벽의 수명과 중력파 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 분석 모델이 예측한 바와 같이 중력파 에너지 밀도가 $\Omega_{\rm GW}h^2 \propto (v/M_{\rm pl})^4$로 스케일링되는가?

주요 결과

• $N_{\rm DW} = 1$(QCD 축상자 모델)의 경우, 오늘날 중력파 에너지 밀도의 피크는 $(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm QCD} = 5.36 \times 10^{-12}$이며, 이는 현재 및 향후 중력파 실험에서 탐지 불가능하다.
• $N_{\rm DW} > 1$의 경우, 중력파 스펙트럼은 잠재력 내 비용 항의 계수에 의해 주로 결정되며, 이는 도메인 벽을 안정화시키고 중력파 방출을 증가시킨다.
• 비용 항이 있는 ALLP 모델에서 $N_{\rm DW} > 1$의 경우, 추가 PQ 시대 동안 중력파 에너지 밀도의 피크는 $(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm add} = 3.81 \times 10^{-10}$로 나타나 탐지 가능한 신호일 가능성이 있다.
• 비용 항이 비영일 경우, $N_{\rm DW} > 1$의 중력파 스펙트럼은 나노헤르츠에서 킬로헤르츠 대역에 탐지 가능한 피크를 가진다.
• 시뮬레이션은 줄기 네트워크가 스케일링 영역에 진입하여 스케일링 파라미터 $\xi_{\rm s} = 0.99$를 확보함으로써 이론적 예측과 일치함을 확인하였다.
• $(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm add}/(\Omega_{\rm GW}h^2)_{\rm QCD} \approx (v_{\rm add}/v_{\rm re})^4$의 비율은 줄기 지배 방출에 대해 분석 스케일링 $\Omega_{\rm GW}h^2 \propto (v/M_{\rm pl})^4$를 확인한다.

Figure 3: The GW power specra today for different values of $\Xi$ in the case of $N_{\rm DW}=3$ . The two black dashed lines denote the dimensionless comoving momentum corresponding to the Hubble radius and the thickness of DW at $T_{\rm dec}$ in the case of $\Xi=2.5\times 10^{-72}$ .