[논문 리뷰] Fingerprint of GeV scale right-handed neutrinos on inflationary gravitational waves and PTA data

Satyabrata Datta, Rome Samanta|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 02.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 seesaw 모델에서 기저의 우주론적 물질 시대를 유도하는 기저의 중성자(gev 스케일의 오른쪽 손잡이 중성자, RHN)가 상전이를 통해 비표준적인 후 인플레이션 물질 시대를 만들어내며, 블루 기울기의 인플레이션 중력파(GW)를 억제하여 펄서 타이밍 어레이(PTA) 데이터와 일치시킨다. 이 모델은 고주파수 GW 신호를 고감도 LIGO에서 검출 가능하게 예측하며, PTA와 LIGO 관측을 연결하여 RHN 질량과 혼합을 제약하고, 우주론과 입자물리학을 통합적으로 검증할 수 있다.

ABSTRACT

We show that the seesaw mechanisms that exhibit right-handed neutrino mass-dependent non-standard post-inflationary cosmology make blue-tilted inflationary gravitational waves (GW) compatible with the recent findings of nHz stochastic GW background by the pulsar-timing arrays (PTAs) for high reheating temperatures. The right-handed neutrino (RHN) mass scale has to be $\mathcal{O}( m GeV)$. Remarkably, such a scenario produces a correlated signature testable by the future LIGO run. In addition to contributing to the active neutrino masses, $\mathcal{O}( m GeV)$ RHNs generate baryon asymmetry of the universe via low-scale-leptogenesis. They can be searched for in collider experiments. Therefore, the recent detection by PTAs is not only exciting for GWs in the nHz range; it paves the way to test and constrain well-studied mechanisms, such as seesaws, with a low-frequency and a correlated measurement of high-frequency GW spectral features, complementary to particle physics searches.

연구 동기 및 목표

• 블루 기울기의 인플레이션 중력파가 PTA에서 관측한 nHz 주파수 대역의 무작위 중력파 배경과 일치하도록 하는 것.
• 기저의 오른쪽 손잡이 중성자(RHN)가 인플레이션 이후 비표준적인 물질 지배 시대를 유도하여, 블랙본 뉴클레오산제네시스 기준을 충족시키기 위해 중력파를 억제하는 방식을 설명하는 것.
• RHN 질량, 중력파 스펙트럼 특징, 고감도 LIGO에서의 검출 가능성 간의 예측 가능한 연결 고리를 확립하는 것.
• seesaw 메커니즘을 통해 우주론적 중력파 신호와 입자물리학을 통합하여, 저스케일 렙토제네시스와 실험실에서 탐색 가능한 RHN을 포함하는 것.
• SHiP 및 MATHUSLA와 같은 향후 실험과 함께 PTA, LIGO, 그리고 향후 실험을 통한 RHN 탐색을 유도하는 것.

제안 방법

• 스칼라 필드 상전이를 통해 RHN 질량를 생성하는 모델링: $ M = f_N v_\Phi $, 여기서 $ f_N $ 은 유진드 상수.
• 붕괴 폭 $ \Gamma \propto f_N^2 $ 를 유도하여 RHN 수명이 $ f_N $ 과 관련되며, 이는 물질 지배 기간과도 연결된다.
• 물질 지배 시대 동안의 엔트로피 생성을 계산하여, 블루 기울기 중력파의 진폭을 억제하는 원리를 설명한다.
• 물질 지배와 재가열의 영향을 고려하여 피크-공백-피크 형태의 중력파 스펙트럼을 계산하며, $ T_\Phi $ 를 핵심 매개변수로 사용한다.
• 모델의 중력파 스펙트럼을 NANOGrav 15년 데이터에 맞추어, RHN 질량를 $ \mathcal{O}(\text{GeV}) $ 로 고정하고 $ T_{\text{RH}} \gtrsim 10 $ GeV 로 설정한다.
• 고감도 LIGO 감도를 활용하여 두 번째 중력파 피크의 적외선 꼬리 부분을 검출할 수 있도록 계획한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기저의 오른쪽 손잡이 중성자(RHN)가 펄서 타이밍 어레이(PTA)에서 관측한 nHz 수준의 무작위 중력파 배경을 설명할 수 있는가?
• RQ2 RHN 질량 척도가 비표준 물질 지배 기간의 지속 시간과 블루 기울기 중력파 억제 정도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 모델에서 저주파수(PTA)와 고주파수(LIGO) 중력파 신호 간의 예측된 상관관계는 무엇인가?
• RQ4 동일한 RHN 세그먼트가 저스케일 렙토제네시스를 통해 활성 중성자 질량과 양성자 비대칭을 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ5 모델이 RHN과 활성 중성자 간 혼합에 대해 제약을 가하는 바는 무엇이며, 이는 실험 및 천체물리학적 제약과 어떻게 일치하는가?

주요 결과

• 모델은 NANOGrav 15년 데이터에 RHN 질량 척도 $ \mathcal{O}(\text{GeV}) $ 에서, 2σ 신뢰도 범위 내에서 $ M \in [1, 47] $ GeV 으로 적합된다.
• 고감도 LIGO(알리고) 대역에서 $ M \in [2.5, 47] $ GeV 범위에 대해 중력파 스펙트럼의 두 번째 피크의 적외선 꼬리 부분을 검출 가능하며, 이는 신호의 검증 가능성을 높인다.
• 알리고에서 SGWB를 관측하지 못할 경우, PTA 데이터와 일치하는 매개변수 공간의 대부분을 배제할 수 있으며, 이는 반증 가능한 예측을 제공한다.
• 모델은 PTA와 LIGO 간의 상관 신호를 예측하여, 동일한 물리적 메커니즘을 다밴대 검증할 수 있는 다밴대 테스트를 가능하게 한다.
• RHN 질량과 혼합은 독립적으로 제약된다: $ |U_\mu|^2 \sim m_\nu / M $, 여기서 $ m_\nu \approx 0.05 $ eV 이며, $ M \in [2.5, 47] $ GeV 범위는 향후 실험인 SHiP 및 MATHUSLA에서 접근 가능하다.
• 이 모델은 B-L 상전이로 인한 우주 끈에서 기인하는 중력파도 생성할 수 있으며, 이는 표준 물질 지배 모델과 다른 피크-플랫폼-피크 형태의 중력파 스펙트럼을 유도한다.