[논문 리뷰] Implication of nano-Hertz stochastic gravitational wave on dynamical dark matter through a dark first-order phase transition

Siyu Jiang, Aidi Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 30.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 56인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 강한 다크 섹터의 제1종상 위상전이로부터 나노헤르츠 확률적 중력파(SGWB)를 다이나믹 다크 매터 시나리오와 연결하고, Q-ball/Fermi-ball 및 super-cool DM을 분석하며 SGWB 스펙트럼이 NANOGrav 데이터와 일치할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

For the first time, the expected stochastic gravitational wave background is probably discovered after observing the Hellings Downs correlation curve by several pulsar timing array (PTA) collaborations around the globe including NANOGrav, European PTA, Parkes PTA, and Chinese PTA. These new observations can help to explore or constrain the dark matter (DM) formation mechanisms in the early Universe. We study the implication of those results on the dynamical DM formation mechanisms through a dark first-order phase transition in the early Universe. Both the Q-ball DM and super-cool DM are investigated in the strong super-cooling dark phase transition scenario which may give an interpretation of the observed stochastic gravitational wave background.

연구 동기 및 목표

• 나노헤르츠 SGWB 관찰이 초기 우주에서의 다크 매트러 형성에 어떤 제약을 주는지 모티베이션을 제공한다.
• 강한 다크 제1종 위상전이 동안의 다이나믹 다크 매터 생성 메커니즘을 조사한다.
• SGWB 신호 맥락에서 Q-ball/Fermi-ball DM과 super-cool DM을 비교한다.
• DM 생성과 SGWB를 연결하기 위한 위상전이 dynamics 및 penetrations-rate 계산을 제시한다.
• SGWB 스펙트럼을 NANOGrav 관측과 대조하여 허용 가능한 매개변수 영역을 식별한다.

제안 방법

• 강한 초냉각 다크 FOPT를 실현하기 위하여 conformal 스칼라장과 다크 U(1) 게이지 상호작용으로 다크 섹터를 모델링한다.
• Coleman-Weinberg 방식과 열 보정을 결합한 유효 포텐셜을 계산하여 T_n 및 T_p를 결정한다.
• 버블 벽의 동역학과 벽을 가로지르는 DM 침투율을 이용하여 R_in을 v_w, m_chi, T의 함수로 도출한다.
• Q-ball/Fermi-ball 및 super-cool DM 시나리오에서의 DM 잔존 밀도를 위상전이 매개변수 및 R_in과의 상호작용으로 연결한다.
• 버블 충돌, 음향파, 난류에 의한 percolation 주도 FOPT의 SGWB 스펙트럼을 계산하고 이를 NANOGrav 데이터와 비교한다.
• Omega_DM h^2 = 0.12를 재현하는 벤치마크 포인트를 제시하고 해당하는 위상전이 매개변수를 보여준다.

Figure 1: The values of nucleation temperature $T_{n}$ and percolation temperature $T_{p}$ as function of the $y_{A}$ . We choose $M=10~{}\mathrm{MeV}$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강력한 초냉각 다크 FOPT가 다이나믹 다크 매터(Q-ball, Fermi-ball, 및 super-cool DM)의 생성 및 잔존 밀도에 어떠한 영향을 미치는가?
• RQ2 PTAs가 관측한 nano-Hertz SGWB 신호가 다크 섹터 위상전이에서 유래한 SGWB로 설명될 수 있는가?
• RQ3 위상전이 매개변수(T_p, alpha_p, beta/H_p, v_w)와 버블 벽을 가로지르는 DM 침투 역학 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 관측된 DM 잔존 밀도를 재현하면서 NANOGrav 관측과 호환되는 SGWB 스펙트럼을 얻는 매개변수 영역은 어디인가?

주요 결과

• 강한 초냉각 다크 FOPT는 나노헤르츠 주파수대의 SGWB 스펙트럼을 만들어 NANOGrav 관측과 호환될 수 있다.
• 버블 벽을 가로지는 DM 침투율은 m_χ/T와 버블 벽 속도 v_w에 의존하며, 높은 v_w는 침투를 증가시키고 더 큰 m_χ/T는 침투를 억제한다.
• DM 침투가 벽을 가로지르는 경우 Q-ball 및 Fermi-ball DM 시나리오가 나타나며 잔존 밀도는 R_in, c_χ, 및 S_3(T_* )/T_*의 상호작용에 의해 결정된다.
• Fermi-ball DM에서는 SGWB가 음향파에 의해 지배되며 특정 v_w, y_χ, 및 c_χ 값으로 벤치마크 포인트에서 저주파 NANOGrav 신호에 맞출 수 있다.
• 초냉각 DM 메커니즘은 인플레이션 및 재열을 통해 DM 밀도를 희석시키며 표준 freeze-out를 요구하지 않고도 호환 가능한 잔존 밀도를 얻을 수 있다.