[논문 리뷰] Gravitational wave complementarity and impact of NANOGrav data on gravitational leptogenesis: cosmic strings

Rome Samanta, Satyabrata Datta|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 28.

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한 줄 요약

이 논문은 우주 끈이 유도하는 중력파(GWs)와 무이중베타 붕괴(0νββ) 실험을 통해 중력 렙토제네시스의 보완적 탐지 방법을 제안한다. 오른쪽으로 회전하는(RH) 중성자기인 중력 렙토제네시스 메커니즘이 양자 중력 효과를 통해 렙톤 비대칭을 생성함을 보여주며, NANOGrav의 12.5년 펄사 타이밍 데이터는 2σ 수준에서 m1 ≳25 meV를 배제한다. 이는 중력파 제약 조건과 0νββ 감도를 연결한다.

ABSTRACT

In seesaw mechanism, if right handed (RH) neutrino masses are generated dynamically by a gauged $U(1)$ symmetry breaking, a stochastic gravitational wave background (SGWB) sourced by a cosmic string network could be a potential probe of leptogenesis. We show that the leptogenesis mechanism that facilitates the dominant production of lepton asymmetry via the quantum effects of right-handed neutrinos in gravitational background, can be probed by GW detectors as well as next-generation neutrinoless double beta decay ($0 u\beta\beta$) experiments in a complementary way. We infer that for a successful leptogenesis, an exclusion limit on $f-\Omega_{ m GW}h^2$ plane would correspond to an exclusion on the $|m_{\beta\beta}|-m_1$ plane as well. We consider a normal light neutrino mass ordering and discuss how recent NANOGrav pulsar timing data (if interpreted as GW signal) e.g., at 95$\%$ CL, would correlate with the potential discovery or null signal in $0 u\beta\beta$ decay experiments.

연구 동기 및 목표

• 우주 끈에서 발생하는 중력파 신호와 오른쪽으로 회전하는 중성자기인 중력 렙토제네시스(RIGL)의 가능성 간의 연관성을 설정하는 것.
• NANOGrav의 12.5년 펄사 타이밍 데이터가 RIGL 메커니즘과 0νββ 붕괴에서의 효과적 전자 중성자기 질량에 어떻게 제약을 가하는지 탐구하는 것.
• 우주 끈에서의 중력파 탐지 한계를 바탕으로 |mββ| − m1 평면에서 보완적인 배제 영역을 유도하는 것.
• 성공적인 렙토제네시스 맥락에서 끈의 밀도 매개변수 Gµ와 가장 가벼운 중성자기 질량 m1 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 최근 NANOGrav 데이터와 RIGL 메커니즘의 일관성을 평가하는 것, 특히 정상적인 중성자기 질량 순서에서의 경우를 중심으로 한다.

제안 방법

• 오른쪽으로 회전하는 중성자기와 관련된 두 루프 양자 중력 효과를 통해 렙톤 비대칭이 발생하는 RIGL 메커니즘을 수립하며, ∂µRjµ/M² 연산자를 통한 화학적 포텐셜 생성을 다룬다.
• 등각적으로 평탄한 중력적 배경에서 두 루프 자기에너지 도형을 사용하여 라그랑지안 내 효과적 결합 'b'를 유도하며, 이는 CPT 위반 화학적 포텐셜을 초래한다.
• 끈의 밀도 µ ∼ Λ²_CS를 중력파 에너지 밀도 스펙트럼과 연결하며, Nambu–Goto 작용을 사용하여 우주 끈 루프의 붕괴와 중력파 방출을 모델링한다.
• 우주 끈에서 기인한 확률적 중력파 배경(SGWB)의 파wer 스펙트럼을 계산하고, f ∼1/year에서 NANOGrav의 관측된 공통 스펙트럼 과정과 비교한다.
• 관측된 중력파 진폭을 바탕으로 끈의 밀도 매개변수 Gµ를 제약하며, 이는 RIGL 메커니즘을 통해 가장 가벼운 중성자기 질량 m1에 대한 제약으로 번역된다.
• 0νββ 붕괴 매개변수 |mββ|를 보완적 관측량으로 적용하여, 중력파 제약 조건을 바탕으로 |mββ| − m1 평면에서 해당 배제 영역을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIGL 메커니즘은 중력파 탐지기와 향후 0νββ 실험을 통해 보완적으로 탐지될 수 있는가?
• RQ2 NANOGrav의 12.5년 펄사 타이밍 데이터는 RIGL 메커니즘, 특히 가장 가벼운 중성자기 질량 m1 측면에서 어떻게 제약을 가하는가?
• RQ3 성공적인 렙토제네시스를 위해 끈의 밀도 매개변수 Gµ와 m1에 대한 상한 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 f ∼1/year에서 NANOGrav 신호가 초거대 블랙홀 이중성계 등 다른 중력파 원천보다 끈 모델을 더 선호하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 f − ΩGWh² 평면에서 주어진 중력파 탐지 임계값에 대응하는 |mββ|의 예측 배제 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 성공적인 RIGL 메커니즘은 Gµ > 4.4 × 10⁻¹¹ 를 요구하며, 이는 가장 가벼운 중성자기 질량 m1 ≲ 12 meV 에 상한을 둔다.
• NANOGrav 데이터는 95% 신뢰수준에서 m1 ≳ 25 meV 를 배제하며, 이는 NANOGrav 신호가 우주 끈에서 기인한 확률적 중력파 배경으로 해석될 경우 RIGL 메커니즘이 배제된다는 것을 시사한다.
• 끈의 밀도 매개변수 Gµ에 대한 배제 한계는 |mββ| − m1 평면에서 해당하는 배제 영역으로 번역되며, 이는 0νββ 실험을 통한 보완적 검증을 가능하게 한다.
• 플레버 효과를 고려할 경우, 이 메커니즘은 표준 열적 렙토제네시스의 하한 M1 > 10⁹ GeV 보다 낮은 가장 가벼운 오른쪽으로 회전하는 중성자기 질량 스케일 M1 ∼ 10⁷ GeV 를 허용한다.
• 이 모델은 SGWB 진폭과 효과적 전자 중성자기 질량 |mββ| 사이에 강한 상관관계를 예측하며, 더 높은 Gµ는 더 큰 m1를 허용하고, 따라서 0νββ에서의 제약 조건이 덜 엄격해진다.
• 우주 끈 모델은 단일 거듭제곱 법칙 모델보다 NANOGrav 데이터에 더 잘 맞으며, 이는 BSM 물리학을 탐지하기 위한 이 중력파 원천의 타당성을 지지한다.